УСТРОЙСТВО УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ИЗДЕЛИЙ

Полезная модель относится к области неразрушающего контроля и технической диагностики, а именно, к устройствам для ультразвукового контроля (УЗ) состояния протяженных и крупногабаритных объектов, которые обеспечивают точно соосное расположение ультразвуковых преобразователей.
Известно, что точность соосного расположения датчиков при ультразвуковом контроле напрямую определяет достоверность получаемых результатов.
Поэтому данной проблеме уделяется большое значение при создании систем ультразвуковой дефектоскопии.
В авторском свидетельстве СССР №1112224 описан электромагнитный ориентатор для экранных преобразователей систем неразрушающего контроля, содержащий излучатель, приемник, состоящий из двух ортогональных пар дифференциально включенных индуктивных элементов, два усилителя с регулируемым коэффициентами усиления, последовательно соединенные схему выдачи команд и индикатор положения и корректирующую схему, подключенную к управляющим входам усилителей. Усилители включены между входом пары индуктивных элементов и входом схемы выдачи команд. Для снижения габаритов устройства вход корректирующей схемы подключен к одному из индуктивных элементов. Однако это устройство, являясь сложным, имеет большие размеры, сложно в эксплуатации, не объединено с контролирующей аппаратурой, а на его точность влияет толщина изделия, которую необходимо учитывать соответствующей калибровкой.
Известен способ ультразвукового контроля, описанный, например, в книге авторов В.А. Барынин, О.Н. Будадин, А.А. Кульков. Современные технологии неразрушающего контроля конструкций из полимерных композиционных материалов. - М.: ИД Спектр, 2013, 243 с. (стр. 130-131). Данный способ заключается в ручной соосной ориентации ультразвуковых преобразователей, расположенных по разные стороны контролируемого изделия.
Критерий точности соосной установки - максимальное значение проходящего ультразвукового сигнала, наблюдаемого на информационном экране ультразвукового дефектоскопа. Данный способ достаточно прост, не требует дополнительных затрат, надежен, обеспечивает достижения приемлемой для практики точности установки ультразвуковых преобразователей. Но данный способ обладает существенным недостатком, значительно ограничивающим область применения теневой ультразвуковой дефектоскопии. Он применим только при контроле изделий малых габаритов, а именно таких, где контроль может проводить один человек, т.е. у него должно хватать длины рук для обеспечения контроля всей поверхности изделия.
Контроль изделий больших размеров таким способом проводить нельзя, т.к. два оператора, не видя друг друга, не смогут соосно установить ультразвуковые преобразователи.
Перед проведением ультразвуковой теневой дефектоскопии по другому методу на противоположные поверхности контролируемого изделия наносятся соосно реперные точки. Т.е. точки снаружи и внутри изделия расположены напротив друг друга. Этот метод позволяет контролировать изделия больших габаритов двумя или тремя операторами, которые одновременно снаружи и внутри устанавливают ультразвуковые преобразователи на соответствующие точки.
Данный способ обладает существенными недостатками.
Погрешность контроля (погрешность определения координат обнаруженных дефектов) определяется шагом нанесения точек на поверхности. Заранее невозможно сказать, какой шаг необходим при контроле изделий. Малый шаг ведет к повышению точности контроля, но значительно снижает его производительность и наоборот. Кроме того, имеется большая вероятность несоосного расположения реперных точек, что так же снижает достоверность результатов дефектоскопии.
Наиболее близким аналогом является устройство для ультразвукового теневого контроля изделий, раскрытое в авторском свидетельстве СССР №1237968. Известное устройство включает излучающий и приемный пьезопреобразователи, с наружной стороны совмещенные с магнитами. Приемный пьезопреобразователь выходом соединен с усилителем, выход которого подключен к регистратору. При перемещении одного пьезопреобразователя другой перемещается по поверхности контролируемого изделия с некоторым опозданием, в связи с чем преобразователи во время проведения контроля расположены не вполне соосно, что приводит к ощутимым погрешностям.
Задача полезной модели - разработать дешевое в производстве, монтаже и эксплуатации устройство, обеспечивающее соосное расположение ультразвуковых преобразователей в процессе проведения контроля больших и протяженных изделий.
Технический результат состоит в повышении достоверности обнаружения дефектов и повышении производительности контроля крупногабаритных изделий.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в устройстве ультразвукового контроля крупногабаритных изделий, включающем корпус, в котором размещены приемный ультразвуковой преобразователь, установленный с возможностью приема сигнала от ультразвукового излучающего преобразователя, размещаемого на теневой стороне контролируемого крупногабаритного изделия и совмещенного с дополнительным излучателем, и подключенный к приемному ультразвуковому преобразователю регистратор, в корпусе дополнительно установлены два датчика Холла, генератор тока, два дифференциальных усилителя, микропроцессор и радиопереговорное устройство, а на корпусе размещен блок светодиодных индикаторов, при этом токовые электроды датчиков Холла подключены к генератору тока, их измерительные электроды связаны со входами дифференциальных усилителей, выходы которых подключены к микропроцессору, а блок светодиодных индикаторов с возможностью сигнализации о совмещении осей приемного и излучающего ультразвуковых преобразователей подключен к выходам микропроцессора.
Технический результат усиливается за счет того, что дополнительный излучатель представляет собой излучатель магнитного поля. Дополнительный излучатель представляет собой кольцевой постоянный магнит.
Устройство ультразвукового контроля крупногабаритных изделий является приемной частью системы ультразвукового контроля и включает в себя часть системы ориентации УЗ преобразователей, последняя включает два блока - основной и вспомогательный.
Каждый УЗ преобразователь системы УЗ контроля жестко совмещен с соответствующим блоком системы ориентации.
В процессе проведения контроля и совмещения УЗ преобразователей точность совмещения определяется индикацией на основном блоке системы ориентации.
Основной блок системы ориентации снабжен индикатором, которые показывают в какую сторону необходимо смещать блок системы ориентации, совмещенный с ультразвуковым преобразователем, для обеспечения соосности с вторым блоком системы ориентации.
В качестве физического поля устройства ориентации используется магнитное поле для исключения влияния помех на систему ультразвукового контроля.
Для переговоров между операторами контроля используется радиопереговорное устройство.
К существенным отличительным признакам, характеризующим полезную модель, относятся:
в корпусе дополнительно установлены два датчика Холла, генератор тока, два дифференциальных усилителя, микропроцессор и радиопереговорное устройство,
на корпусе размещен блок светодиодных индикаторов,
токовые электроды датчиков Холла подключены к генератору тока, их измерительные электроды связаны с входами дифференциальных усилителей, выходы которых подключены к микропроцессору,
блок светодиодных индикаторов с возможностью сигнализации о совмещении осей приемного и излучающего ультразвуковых преобразователей подключен к выходам микропроцессора.
Эти признаки обеспечивают точную соосную ориентацию приемного и излучающего преобразователей, а, следовательно, обеспечивают повышение достоверности обнаружения дефектов и повышение производительности контроля крупногабаритных изделий.
Достоверность обнаружения дефектов определяется мощностью ультразвукового излучения, принимаемого приемным преобразователем 3 от передающего преобразователя 2. Соответственно мощность излучения в свою очередь зависит от степени «перекрытия» диаграмм направленности излучающего и приемного преобразователей, т.к. величина «перекрытия» определяет долю энергии излучения, попадающего от передающего к приемному преобразователю.
Очевидно, что возможны случаи от полного несовпадения диаграмм направленности до полного совпадения. Авторами установлено, что достоверность обнаружения дефектов, близкая к максимально возможной, реализуется при погрешности соосности пьезопреобразователей не более 0,5 мм. Эта величина и была положена в основу создания системы ориентации.
Аналогичная зависимость имеет место и для точности контроля - точности определения границ дефектов в проекции на поверхность изделия. Чем точнее совпадут оси преобразователей, тем меньше погрешность определения границ дефекта.
Сущность полезной модели поясняется дальнейшим описанием со ссылками на прилагаемые чертежи, где на фиг. 1 приведена функциональная схема системы
ультразвукового теневого контроля с входящим в нее устройством ультразвукового контроля крупногабаритных изделий, на фиг. 2 представлена схема системы ориентации УЗ преобразователей, на фиг. 3 изображен эталонный образец изделия. На чертежах приняты следующие обозначения:
1 - контролируемое изделие,
2 - излучающий (передающий) ультразвуковой преобразователь
3 - приемный ультразвуковой преобразователь,
4, 5 - приемный и передающий блоки системы ориентации,
6 - блок индикации системы ориентации (регистратор),
7, 8 - операторы-дефектоскописты,
9 - блок управления системой ориентации,
10 - ультразвуковой дефектоскоп УД2 - НПМ,
11 - сканирующая система для перемещения контролируемого изделия,
12 - радиопереговорное устройство для связи операторов-дефектоскопистов,
13 - кольцевой постоянный магнит,
14 - объект контроля,
15, 16 - датчики Холла,
17 - генератор тока для питания датчиков Холла,
18, 19 - дифференциальные усилители,
20 - микропроцессор,
21 - блок светодиодных индикаторов,
21 - источник питания +12 В.
Устройство ультразвукового контроля крупногабаритных изделий включает корпус (на чертеже не показан), приемный ультразвуковой преобразователь 3, установленный с возможностью приема сигнала от ультразвукового излучающего преобразователя 2, размещаемого на теневой стороне контролируемого крупногабаритного изделия 1 и совмещенного с дополнительным излучателем 4, и подключенный к приемному ультразвуковому преобразователю 3 регистратор 6. В корпусе устройства дополнительно установлены два датчика Холла 15, 16, генератор тока 17, два дифференциальных усилителя 18, 19, микропроцессор 20 и радиопереговорное устройство 12. На корпусе размещен блок светодиодных индикаторов 21. Токовые электроды датчиков Холла 15, 16 подключены к генератору тока 17. Измерительные электроды датчиков Холла 15, 16 связаны с входами дифференциальных усилителей 18, 19, выходы которых подключены к микропроцессору 20. Блок светодиодных индикаторов 21 с возможностью сигнализации о совмещении осей
приемного и излучающего ультразвуковых преобразователей 2, 3 подключен к выходам микропроцессора 20. Дополнительный излучатель может быть выполнен в виде излучателя магнитного поля или кольцевого постоянного магнита.
Устройство ультразвукового контроля входит в состав системы ультразвукового контроля и работает в составе последней следующим образом.
Для построения системы ориентации в качестве информационного параметра используется горизонтальная составляющая (Hy) вектора напряженности аксиального магнитного поля, создаваемого излучателем 2.
В качестве излучателя применяется постоянный кольцевой магнит, изготовленный из сплава неодим - железо - бор, в котором размещен ультразвуковой излучающий датчик, входящий в комплект дефектоскопа.
В качестве приемника системы ориентации используются миниатюрные датчики Холла 15, 16, помещенные в специальные концентраторы магнитных полей.
Приемный датчик ультразвуковых колебаний имеет два приемника системы ориентации, расположенные под углом 90° друг к другу (по осям X и Y).
Кольцевой постоянный магнит 13 создает магнитное поле, которое, проходя через объект контроля 14, наводит э.д.с. в датчиках Холла 15 и 16 пропорциональную горизонтальной составляющей Ну напряженности магнитного поля, причем один из элементов Холла работает по X-координате, а другой по Y.
Токовые электроды датчиков Холла 15, 16 запитаны от генератора тока 17.
С измерительных электродов датчиков Холла 15 и 16 измеряемое напряжение поступает на соответствующие дифференциальные усилители 18 и 19.
С выхода дифференциальных усилителей 18 и 19 сигнал поступает на микропроцессор 20, который оцифровывает сигнал и управляет работой четырех светодиодных индикаторов, входящих в состав блока светодиодных индикаторов 21, положения приемника системы ориентации.
При совмещении осей ультразвуковых излучающего и приемного преобразователей все светодиоды мигают.
Контроль изделия с использованием устройства ориентации осуществляется следующим образом. Низкочастотный дефектоскоп настраивается на обнаружение дефектов на эталонном образце, как описано выше. Далее оператор-дефектоскопист, находящийся снаружи (или внутри) изделия прикладывает к поверхности изделия в нужной точке ультразвуковой преобразователь. Если оси пьезопреобразователей совпадают с погрешностью не более 0,5 мм, светодиоды подают сигнал, что можно начать процесс обнаружения дефектов и определения границ. Оператор, находящийся с
противоположной стороны стенки изделия с помощью системы ориентации устанавливает точку на своей поверхности, расположенную соосно с другим ультразвуковым преобразователем и прикладывает в это место свой ультразвуковой преобразователь. Ультразвуковой дефектоскоп показывает качество изделия в контролируемой точке. Аналогично контролируются другие точки поверхности. Переговоры между операторами осуществляются через электронное переговорное устройство.
Если оси преобразователей не совпадают, система ориентации с помощью светодиодной индикации 21 показывает, в какую сторону нужно смещать приемный преобразователь для обеспечения совмещения осей. Таким образом обеспечивается максимальная достоверность обнаружения дефектов и минимальная погрешность определения границ дефектов.
По окончании контроля составляется дефектограмма изделия: чертеж развертки наружной поверхности изделия с нанесенными на нем контурами обнаруженных дефектов.
Испытания разработанного устройства ориентации ультразвуковых преобразователей проводились на эталонном образце изделия фиг. 3. На этом образце отмечены участки - содержащий дефект типа расслоения и заведомо качественный участок. Раскрытие эталонного дефекта составляет 0,2 мм.
В таблице 1 приведены сравнительные технические и эксплуатационные характеристики устройства ультразвукового контроля крупногабаритных изделий в составе системы контроля и характеристики системы - ближайшего аналога.
Таблица 1.
п/п
Наименование характеристики
Численные значения характеристики
прототип
Предлагаемое устройство
Погрешность совмещения осей  ультразвуковых преобразователей
±3 мм
±0,5 мм
Погрешность определения контуров дефектов
Определяется шагом сетки, ориентировочно ±100 мм
±5 мм
Определяется диаметром УЗ преобразователей
Производительность контроля с учетом нанесения сетки
1 (условная)
0,2 (условная)
В таблице 2 приведены технические характеристики заявляемого устройства в составе системы ультразвукового контроля крупногабаритных изделий и ближайшего аналога.
Таблица 2
Краткие технические характеристики
п/п
Наименование параметра
Состав:
- ультразвуковой дефектоскоп УД2-НПМ - 1 компл.
- система ориентации СОД-1 (блоки ориентации, управления)- 1 компл.
- система голосовой связи-1 компл.
- комплект технической документации (паспорт, техническое описание, инструкция по эксплуатации, конструкторская документация) - 3 компл.
Характеристики контроля
1
Обеспечен ультразвуковой неразрушающий контроль конструкций из полимерных композиционных материалов, в т.ч. трехслойных конструкций, толщиной 20-120 мм.
2
Рабочая частота применяемых ультразвуковых преобразователей 50-100 кГц.
3
В качестве базового использован ультразвуковой дефектоскоп УД2-НПМ, имеющий сертификат соответствия.
Характеристики системы ориентации
1
Погрешность совмещения ультразвуковых преобразователей по двум взаимно перпендикулярным направлениям не более ±0,5 мм при максимальной толщине стенки изделия (250 мм).
2
Индикация погрешности совмещения посредством световой индикации с указанием направления рассогласования
3
Вес приемного и передающего блоков системы ориентации 0,15 кг для каждого блока.
4
Стабильная голосовая связь между операторами в условиях цеха.
5
Устойчивая работа при длине линий связи до 40 м в условиях цеха.
Испытания показали, что разработанное устройство ультразвукового контроля крупногабаритных изделий позволяет повысить производительность контроля не менее, чем в 4-8 раз, и повысить точность определения контуров обнаруженных дефектов не менее 3-7 раз.