Способ ультразвукового контроля профиля внутренней поверхности изделия в зоне сварного соединения с применением антенных решеток
METHOD OF ULTRASONIC CONTROL OF PRODUCT INTERIOR PROFILE IN WELD JUNCTION USING ANTENNA ARRAYS

Изобретение относится к области ультразвукового неразрушающего контроля.
Известен способ ультразвукового контроля профиля внутренней поверхности изделия с неровными поверхностями [Пат. RU №2560754. Базулин Евгений Геннадьевич, Вопилкин Алексей Харитонович, Пронин Виталий Владимирович, Тихонов Дмитрий Сергеевич. Способ ультразвукового контроля профиля внутренней поверхности изделия с неровными поверхностями. Опубл. 20.08.2015].
Недостатком способа является отсутствие учета изменения расстояния между призмами при проведении контроля, что приводит к ошибке определения толщины контролируемого изделия.
Наиболее близким, принятым за прототип, является способ ультразвукового контроля профиля внутренней поверхности изделия с неровными поверхностями [Пат. RU №2560754. Базулин Евгений Геннадьевич, Вопилкин Алексей Харитонович, Пронин Виталий Владимирович, Тихонов Дмитрий Сергеевич. Способ ультразвукового контроля профиля внутренней поверхности изделия с неровными поверхностями. Опубл. 20.08.2015].
Известный способ не позволяет уточнять расстояние между призмами при проведении контроля, что приводит к ошибке определения толщины контролируемого изделия.
Предложен способ ультразвукового контроля профиля внутренней поверхности изделия в зоне сварного соединения с применением антенных решеток, заключающийся в том, что две антенные решетки, одна из которых излучатель, а вторая - приемник, устанавливают на наклонные призмы, обращенные передними гранями друг к другу, размещают на поверхности контролируемого изделия на оптимальном расстоянии между собой с двух сторон от сварного соединения, излучают ультразвуковые импульсы в контролируемое изделие независимо и попеременно каждым из выбранных активных элементов излучающей решетки, регистрируют отраженные от донной поверхности ультразвуковые эхо-импульсы заданными активными элементами регистрирующей решетки, восстанавливают множество парциальных изображений путем умножения матрицы принятых эхо-импульсов и матрицы сигналов, рассчитанных для каждой точки изображения для точечного отражателя с учетом трансформации типов волн при отражениях, получают изображение профиля донной поверхности, по которому находят таблицу значений толщины контролируемого изделия в каждой точке области восстановления, отличающейся тем, что с целью повышения точности определения профиля внутренней поверхности изделия в процессе проведения контроля регистрируют импульсы головных волн, сравнивают измеренные импульсы с рассчитанными в зависимости от оптимального расстояния между призмами и номинального значения скорости продольной волны в контролируемом изделии, минимизируя разницу между измеренными и рассчитанными импульсами головных волн, описываемых целевой функцией, определяют фактическое расстояние между призмами и реальное значение скорости продольной волны в объекте контроля.
Предлагаемый способ позволяет уточнять расстояние между призмами в процессе проведения контроля и корректировать номинальное значение скорости звука продольной волны в контролируемом изделии. Определяемые параметры позволяют повысить точность определения профиля внутренней поверхности.
Для пояснения описываемого способа:
На фигуре 1 приведены примеры зарегистрированных ультразвуковых эхо-импульсов, отраженных от донной поверхности объект контроля ОК, и ультразвуковых эхо-импульсов головных волн. На верхнем рисунке расстояние между призмами равно 0 мм, а на нижнем рисунке расстояние между призмами равно 40 мм.
На фигуре 2 приведена схема контроля с излучением и регистрацией эхо-импульсов головной волны элементами антенных решеток.
На фигуре 3 приведены изображения донной поверхности образца толщиной 18 мм по номинальным значениям расстояния между призмами и скорости звука в ОК (слева) и по их уточненным значениям (справа).
Предложенный способ ультразвукового контроля профиля внутренней поверхности изделия в зоне сварного соединения с применением антенных решеток осуществляется следующим образом. Две идентичные антенные решетки (АР) устанавливают на идентичные наклонные призмы и располагают на поверхности образца так, чтобы призмы были обращены передними гранями друг к другу. Оптимальное расстояние между гранями призм с АР выбирают исходя из параметров АР (рабочей частоты, количества элементов, шага, ширины элемента, активной апертуры), призм (угла наклона, скорости продольной волны в призме) и объекта контроля (номинальная толщина). Одну АР используют в качестве излучателя ультразвуковых эхо-сигналов, а вторую АР - в качестве приемника. Каждый из выбранных активных элементов излучающей АР независимо и попеременно излучает ультразвуковые сигналы в ОК. Принимающая АР заданными активными элементами регистрирует ультразвуковые эхо-импульсы, отраженные от донной поверхности ОК, и ультразвуковые эхо-импульсы головных волн (фиг. 1).
t
r
t
r
Как видно из фиг. 2, время прихода импульсов головной волны  от излучателя, расположенного в точке r, до приемника, расположенного в точке r, зависит от расстояния между призмами b и скорости продольной волны в ОК . Уточнение расстояния между призмами и скорости продольной волны в ОК основано на достижении максимального совпадения по заданному критерию измеренных эхосигналов p(r, r, t) и их оценки  при вариации уточняемых параметров. Вектор, по которому происходит вариация, имеет обозначение . Критерием максимального совпадения измеренных эхосигналов и их оценки является минимизация целевой функции, в качестве которой является обратная функция корреляции:
где * - операция комплексного сопряжения.
Измеренные эхосигналы и их оценка переводится в комплексный формат с применением преобразования Гильберта.
Оценка импульсов головной волны проводится по формуле:
где s(t) - форма импульса головной волны, которую определяют по измеренным эхосигналам, t и r - номера излучающего и приемного элементов АР соответственно.
Для расчета градиента целевой функции  применяют симплексный метод Нелдера-Мида. В случае с двумя переменными b и симплексом является треугольник, а схема поиска минимума заключается в сравнении вычисленных значений функции в вершинах треугольника и перемещении симплекса с помощью итерационной процедуры в направлении минимума.
Вычисленные значения расстояния между призмами и скорости продольной волны в ОК используются для определения профиля донной поверхности по сигналам, отраженным от донной поверхности с учетом трансформации типов волн, по методу, описанному в способе ультразвукового контроля профиля внутренней поверхности изделия с неровными поверхностями. На фигуре 3 слева показано изображение дна в образце толщиной 18 мм, восстановленное при измерении базы обычной линейкой и использовании справочной скорости звука, а на рисунке справа после определения скорости звука и базы по предложенному методу. В первом случае блики дна сместились вверх на 0,8 мм, а во втором случае блик находится точно на глубине 18 мм. Кроме того, форма блика на изображении слева не соответствует ровной донной поверхности, в отличии от изображения справа.
Предлагаемый способ может найти широкое применение в ультразвуковой дефектоскопии различных металлоконструкций для контроля профиля донной поверхности сварных соединений трубопроводов с наличием валика усиления с применением автоматизированных систем сканирования.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет уточнить расстояние между призмами в процессе проведения контроля с применением сканирующих устройств для механического перемещения по поверхности ОК, а также скорректировать номинальную скорость продольной волны в ОК. Способ применяется для контроля профиля донной поверхности сварных соединений металлоконструкций с наличием внешнего валика усиления и позволяет обнаруживать вмятины, выемки, утонения, провисания, смещение кромок и др. с измерением их геометрических параметров.