УСТРОЙСТВО УЛЬТРАЗВУКОВОГО ИЗМЕРЕНИЯ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ ТРУБЫ

Полезная модель относится к области ультразвукового контроля и может быть использовано для измерения шероховатости поверхности трубы.
Известно устройство ультразвукового измерения шероховатости поверхности, основанное на определении отношения амплитуд отраженных импульсов, несущие частоты которых различаются в 2 раза. В определенном интервале частот эти отношения в значительной степени зависят от шероховатости поверхности. (Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник. В 2-х кн. Под ред. В.В.Клюева. Кн.2. М., «Машиностроение», 1976., 326 с. с ил., с.251)
В качестве прототипа предлагаемой полезной модели выбран «Ультразвуковой дефектоскоп», описанный в патенте РФ №2006852, 1994 г. 01.30. «Способ ультразвукового контроля изделий с большим затуханием ультразвука», МПК. G01N 29/04. Устройство состоит из генератора, широкополосного излучающего преобразователя, широкополосного приемного преобразователя, синхронного детектора, включающего перемножитель и фильтр низких частот, генератора опорной частоты и индикатора в виде осциллографа. В способе ультразвукового контроля изделий с большим затуханием ультразвука в изделие вводят широкополосный ультразвуковой зондирующий сигнал, принимают отраженный от дефекта широкополосный эхо-сигнал, опорным гармоническим сигналом сдвигают спектр принятого сигнала в область низких частот, уменьшают частоту опорного сигнала до значения, равного несущей (или средней) частоте зондирующего сигнала, до значения, соответствующего максимуму амплитуды спектра принятого эхо-сигнала, фиксируют эту частоту, выделяют низкочастотную часть спектра принятого сигнала на частоте, равной или меньшей разности несущей (или средней) и зафиксированной частот, а по амплитуде выделенного эхо - сигнала судят о качестве изделия, патент РФ №2006852, 1994 г. 01.30. «Способ ультразвукового контроля изделий с большим затуханием ультразвука», МПК. G01N 29/04.
Недостатком устройства, выбранного в качестве прототипа является то, что им невозможно измерить величину шероховатости внутренней поверхности трубы из-за того, что ультразвуковые колебания распространяются по внешней поверхности трубы.
Решаемая техническая задача заключается в быстром и качественном измерении шероховатости внутренней поверхности трубы (например, газопроводов), что невозможно осуществить ультразвуковым устройством по прототипу.
Решаемая техническая задача в устройстве ультразвукового измерения шероховатости поверхности трубы, содержащем ультразвуковой приемный преобразователь, генератор импульсов, выход которого соединен с ультразвуковым излучающим преобразователем, достигается тем, что введены последовательно соединенные микроконтроллер и электронно-вычислительная машина, ультразвуковой излучающий преобразователь выполнен в виде ультразвукового излучающего пьезоэлектрического преобразователя, ультразвуковой приемный преобразователь выполнен в виде ультразвукового приемного пьезоэлектрического преобразователя, который соединен со входом микроконтроллера, другой вход которого соединен с выходом генератора импульсов, излучающий и приемный ультразвуковые пьезоэлектрические преобразователи объединены в ультразвуковой раздельно-совмещенный пьезоэлектрический преобразователь.
На фиг.1 представлена структурная схема устройства ультразвукового измерения шероховатости поверхности трубы.
На фиг.2 приведен алгоритм работы микроконтроллера на трех страницах. Алгоритм работы электронно-вычислительной машины приведен на странице 3 фиг.2.
Устройство ультразвукового измерения шероховатости поверхности трубы (фиг.1) содержит ультразвуковой приемный пьезоэлектрический преобразователь 1, генератор 2 импульсов, выход которого соединен с ультразвуковым излучающим пьезоэлектрическим преобразователем 3, последовательно соединенные микроконтроллер 4 и электронно-вычислительная машина 5, ультразвуковой приемный пьезоэлектрический преобразователь 1, соединен со входом микроконтроллера 4, другой вход которого соединен с выходом генератора импульсов 1, излучающий и приемный ультразвуковые пьезоэлектрические преобразователи объединены в ультразвуковой раздельно-совмещенный пьезоэлектрический преобразователь 6. На фиг.1 изображена труба 7, внешняя гладкая поверхность которой смазана контактной жидкостью 8, внутренняя измеряемая поверхность 9 трубы 7.
Все блоки, составляющие предлагаемое устройство могут быть выполнены по известным опубликованным схемам.
Рассмотрим первый пример работы устройства ультразвукового измерения шероховатости поверхности трубы для диапазона измеряемых величин шероховатости внутренней поверхности трубы от 10 до 30 мкм.
min
min
Устанавливают ультразвуковой раздельно-совмещенный преобразователь 6 по нормали на внешнюю гладкую предварительно смазанную контактной жидкостью 8 поверхность первого контрольного образца Ra, образец прямоугольной формы с толщиной равной толщине стенки контролируемой трубы с гладкой контактной поверхностью, Ra=0 и с шероховатой донной поверхностью, с шероховатостью, равной минимальному значению диапазона измеряемых величин шероховатости, например Ra=10 мкм, периодически вводят в первый контрольный образец ультразвуковой сигнал с частотой 10 кГц, посредством передающего пьезоэлектрического преобразователя 3, изменяя угол установки ультразвукового преобразователя 6 на внешней поверхности первого контрольного образца в пределах не более величины первого критического угла, принимают отраженные сигналы от донной поверхности первого контрольного образца посредством приемного пьезоэлектрического преобразователя 1.
Частота ввода ультразвукового сигнала в образцы и в трубу для первого и второго примера должна быть такой, чтобы ультразвуковые сигналы между контактной и донной поверхностью успевали затухать, во избежание их взаимного наложения, и должна быть достаточно высокой, чтобы время измерения величины шероховатости не превышало 10 секунд, иначе уменьшается производительность контроля. Частота ввода ультразвукового сигнала в образцы и в трубу лежит в диапазоне от 10 кГц до 300 Гц и может составлять, например, 10 кГц.
Первый критический угол - это угол падения ультразвукового сигнала, при котором угол преломления ультразвукового сигнала будет равен 90°.
Изменение угла установки ультразвукового преобразователя на образцах и на трубе для первого и второго примера в пределах не более величины первого критического угла обусловлено тем, что при превышении угла ввода ультразвукового сигнала в образцы и в трубу величины первого критического угла, возбуждаются поперечные колебания и амплитуда отраженного сигнала резко уменьшается. Таким образом, угол наклона ультразвукового преобразователя, установленного на образцах и на трубе может составлять, например ±5°.
Рассмотрим прохождение ультразвукового сигнала в устройстве изображенном на фиг.1.
1
Генератор 2 вырабатывает электрические сигналы, которые воздействуют на передающий пьезоэлектрический преобразователь 3 ультразвукового преобразователя 6. Электрические сигналы за счет обратного пьезоэлектрического эффекта преобразуются в ультразвуковой сигнал, который через слой контактной жидкости 8 вводится в первый контрольный образец. От донной поверхности первого контрольного образца ультразвуковой сигнал отражается. Отраженные ультразвуковые сигналы через слой контактной жидкости 8 воздействуют на приемный пьезоэлектрический преобразователь 1, который за счет прямого пьезоэлектрического эффекта преобразует их в электрические сигналы, воздействующие на вход микроконтроллера 4. Обработка сигнала микроконтроллером 4 и электронно-вычислительной машины 5 осуществляется согласно приведенному алгоритму на фиг.2. Изменяя угол установки ультразвукового преобразователя 6 на первом контрольном образце в пределах не более величины первого критического угла, из всей совокупности принятых отраженных сигналов, определяет максимальную величину амплитуды первого отраженного сигнала Umax запоминает ее микроконтроллер 4.
max
max
Устанавливают ультразвуковой преобразователь 6 по нормали на внешнюю гладкую предварительно смазанную контактной жидкостью 8 поверхность второго контрольного образца Ra, образец прямоугольной формы с толщиной равной толщине стенки контролируемой трубы с гладкой контактной поверхностью, Ra=0 и с шероховатой донной поверхностью, с шероховатостью, равной максимальному значению диапазона измеряемых величин шероховатости, например Ra=30 мкм, периодически вводят во второй контрольный образец ультразвуковой сигнал с частотой 10 кГц, посредством передающего пьезоэлектрического преобразователя 3, при этом изменяя угол установки ультразвукового преобразователя 6 на внешней поверхности второго контрольного образца в пределах не более величины первого критического угла, принимают отраженные сигналы от донной поверхности второго контрольного образца посредством приемного пьезоэлектрического преобразователя 1. Рассмотрим прохождение ультразвукового сигнала в устройстве изображенном на фиг.1.
2
Генератор 2 вырабатывает электрические сигналы, которые воздействуют на передающий пьезоэлектрический преобразователь 3 ультразвукового преобразователя 6. Электрические сигналы за счет обратного пьезоэлектрического эффекта преобразуются в ультразвуковой сигнал, который через слой контактной жидкости 8 вводится во второй контрольный образец. От донной поверхности второго контрольного образца ультразвуковой сигнал отражается. Отраженные ультразвуковые сигналы через слой контактной жидкости 8 воздействуют на приемный пьезоэлектрический преобразователь 1, который за счет прямого пьезоэлектрического эффекта преобразует их в электрические сигналы, воздействующие на вход микроконтроллера 4. Обработка сигнала микроконтроллером 4 и электронно-вычислительной машины 5 осуществляется согласно приведенному алгоритму на фиг.2. Изменяя угол установки ультразвукового преобразователя 6 на втором контрольном образце в пределах не более величины первого критического угла, из всей совокупности принятых отраженных сигналов, определяет максимальную величину амплитуды первого отраженного сигнала Umax запоминает ее микроконтроллер 4.
Устанавливают ультразвуковой преобразователь 6 по нормали на предварительно подготовленную внешнюю гладкую смазанную контактной жидкостью 8 поверхность измеряемой трубы 7, периодически вводят в трубу ультразвуковой сигнал с частотой 10 кГц, посредством передающего пьезоэлектрического преобразователя 3, при этом изменяя угол установки ультразвукового преобразователя 6 на внешней поверхности трубы в пределах не более величины первого критического угла, принимают отраженные сигналы от донной поверхности трубы 7 посредством приемного пьезоэлектрического преобразователя 1. Рассмотрим прохождение ультразвукового сигнала в устройстве изображенном на фиг.1.
тр
Генератор 2 вырабатывает электрические сигналы, которые воздействуют на передающий пьезоэлектрический преобразователь 3 ультразвукового преобразователя 6. Электрические сигналы за счет обратного пьезоэлектрического эффекта преобразуются в ультразвуковой сигнал, который через слой контактной жидкости 8 вводится в трубу 7. От внутренней поверхности трубы 9 ультразвуковой сигнал отражается. Отраженные ультразвуковые сигналы через слой контактной жидкости 8 воздействуют на приемный пьезоэлектрический преобразователь 1, который за счет прямого пьезоэлектрического эффекта преобразует их в электрические сигналы, воздействующие на вход микроконтроллера 4. Обработка сигнала микроконтроллером 4 и электронно-вычислительной машины 5 осуществляется согласно приведенному алгоритму на фиг.2. Изменяя угол установки ультразвукового преобразователя 6 на внешней поверхности трубы 7 в пределах не более величины первого критического угла, из всей совокупности принятых отраженных сигналов, определяет максимальную величину амплитуды первого отраженного сигнала U запоминает ее микроконтроллер 4.
Величина шероховатости внутренней поверхности трубы определяется микроконтроллером 4 по формуле:
a
где R - величина шероховатости внутренней поверхности трубы, мкм;
тр
U - максимальная амплитуда сигнала, отраженного от донной поверхности трубы, В;
min
Ra - величина шероховатости первого контрольного образца, мкм;
1
Umax - максимальная амплитуда сигнала, отраженного от донной поверхности первого контрольного образца. В;
max
Ra - величина шероховатости второго контрольного образца, мкм;
2
Umax - максимальная амплитуда сигнала, отраженного от донной поверхности второго контрольного образца, В;
1
k - коэффициент, В;
2
k - коэффициент, 1/мкм.
Рассмотрим второй пример работы устройства ультразвукового измерения шероховатости поверхности трубы для диапазона измеряемых величин шероховатости внутренней поверхности трубы от 30 до 100 мкм.
min
min
Устанавливают ультразвуковой раздельно-совмещенный преобразователь 6 по нормали на внешнюю гладкую предварительно смазанную контактной жидкостью 8 поверхность первого контрольного образца Ra, образец прямоугольной формы с толщиной равной толщине стенки контролируемой трубы с гладкой контактной поверхностью, Ra=0 и с шероховатой донной поверхностью, с шероховатостью, равной минимальному значению диапазона измеряемых величин шероховатости, например Ra=30 мкм, периодически вводят в первый контрольный образец ультразвуковой сигнал с частотой 10 кГц, посредством передающего пьезоэлектрического преобразователя 3, изменяя угол установки ультразвукового преобразователя 6 на внешней поверхности первого контрольного образца в пределах не более величины первого критического угла, принимают отраженные сигналы от донной поверхности первого контрольного образца посредством приемного пьезоэлектрического преобразователя 1. Рассмотрим прохождение ультразвукового сигнала в устройстве изображенном на фиг.1.
1
Генератор 2 вырабатывает электрические сигналы, которые воздействуют на передающий пьезоэлектрический преобразователь 3 ультразвукового преобразователя 6. Электрические сигналы за счет обратного пьезоэлектрического эффекта преобразуются в ультразвуковой сигнал, который через слой контактной жидкости 8 вводится в первый контрольный образец. От донной поверхности первого контрольного образца ультразвуковой сигнал отражается. Отраженные ультразвуковые сигналы через слой контактной жидкости 8 воздействуют на приемный пьезоэлектрический преобразователь 1, который за счет прямого пьезоэлектрического эффекта преобразует их в электрические сигналы, воздействующие на вход микроконтроллера 4. Обработка сигнала микроконтроллером 4 и электронно-вычислительной машины 5 осуществляется согласно приведенному алгоритму на фиг.2. Изменяя угол установки ультразвукового преобразователя 6 на первом контрольном образце в пределах не более величины первого критического угла, из всей совокупности принятых отраженных сигналов, определяет максимальную величину амплитуды второго отраженного сигнала Umax запоминает ее микроконтроллер 4.
max
max
Устанавливают ультразвуковой преобразователь 6 по нормали на внешнюю гладкую предварительно смазанную контактной жидкостью 8 поверхность второго контрольного образца Ra, образец прямоугольной формы с толщиной равной толщине стенки контролируемой трубы с гладкой контактной поверхностью, Ra=0 и с шероховатой донной поверхностью, с шероховатостью, равной максимальному значению диапазона измеряемых величин шероховатости, например Ra=100 мкм, периодически вводят во второй контрольный образец ультразвуковой сигнал с частотой 10 кГц, посредством передающего пьезоэлектрического преобразователя 3, при этом изменяя угол установки ультразвукового преобразователя 6 на внешней поверхности второго контрольного образца в пределах не более величины первого критического угла, принимают отраженные сигналы от донной поверхности второго контрольного образца посредством приемного пьезоэлектрического преобразователя 1. Рассмотрим прохождение ультразвукового сигнала в устройстве изображенном на фиг.1.
2
Генератор 2 вырабатывает электрические сигналы, которые воздействуют на передающий пьезоэлектрический преобразователь 3 ультразвукового преобразователя 6. Электрические сигналы за счет обратного пьезоэлектрического эффекта преобразуются в ультразвуковой сигнал, который через слой контактной жидкости 8 вводится во второй контрольный образец. От донной поверхности второго контрольного образца ультразвуковой сигнал отражается. Отраженные ультразвуковые сигналы через слой контактной жидкости 8 воздействуют на приемный пьезоэлектрический преобразователь 1, который за счет прямого пьезоэлектрического эффекта преобразует их в электрические сигналы, воздействующие на вход микроконтроллера 4. Обработка сигнала микроконтроллером 4 и электронно-вычислительной машины 5 осуществляется согласно приведенному алгоритму на фиг.2. Изменяя угол установки ультразвукового преобразователя 6 на втором контрольном образце в пределах не более величины первого критического угла, из всей совокупности принятых отраженных сигналов, определяет максимальную величину амплитуды второго отраженного сигнала Umax запоминает ее микроконтроллер 4.
Устанавливают ультразвуковой преобразователь 6 по нормали на предварительно подготовленную внешнюю гладкую смазанную контактной жидкостью 8 поверхность измеряемой трубы 7, периодически вводят в трубу ультразвуковой сигнал с частотой 10 кГц, посредством передающего пьезоэлектрического преобразователя 3, при этом изменяя угол установки ультразвукового преобразователя 6 на внешней поверхности трубы в пределах не более величины первого критического угла, принимают отраженные сигналы от донной поверхности трубы 7 посредством приемного пьезоэлектрического преобразователя 1. Рассмотрим прохождение ультразвукового сигнала в устройстве изображенном на фиг.1.
тр
Генератор 2 вырабатывает электрические сигналы, которые воздействуют на передающий пьезоэлектрический преобразователь 3 ультразвукового преобразователя 6. Электрические сигналы за счет обратного пьезоэлектрического эффекта преобразуются в ультразвуковой сигнал, который через слой контактной жидкости 8 вводится в трубу 7. От внутренней поверхности трубы 9 ультразвуковой сигнал отражается. Отраженные ультразвуковые сигналы через слой контактной жидкости 8 воздействуют на приемный пьезоэлектрический преобразователь 1, который за счет прямого пьезоэлектрического эффекта преобразует их в электрические сигналы, воздействующие на вход микроконтроллера 4. Обработка сигнала микроконтроллером 4 и электронно-вычислительной машины 5 осуществляется согласно приведенному алгоритму на фиг.2. Изменяя угол установки ультразвукового преобразователя 6 на внешней поверхности трубы 7 в пределах не более величины первого критического угла, из всей совокупности принятых отраженных сигналов, определяет максимальную величину амплитуды второго отраженного сигнала U запоминает ее микроконтроллер 4.
Величина шероховатости внутренней поверхности трубы определяется микроконтроллером 4 по формуле:
a
где R - величина шероховатости внутренней поверхности трубы, мкм;
тр
U - максимальная амплитуда сигнала, отраженного от донной поверхности трубы, В;
min
Ra - величина шероховатости первого контрольного образца, мкм;
1
Umax - максимальная амплитуда сигнала, отраженного от донной поверхности первого контрольного образца. В;
max
Ra - величина шероховатости второго контрольного образца, мкм;
2
Umax - максимальная амплитуда сигнала, отраженного от донной поверхности второго контрольного образца, В;
1
k - коэффициент, В;
2
k - коэффициент, 1/мкм.
Использование третьего и последующих отраженных сигналов является нецелесообразным, так как на величину их амплитуды оказывает большое влияние шероховатость контактной поверхности образцов и трубы, и становится практически невозможным подготовить контактную поверхность с величиной шероховатости на один или два порядка меньшей величины, минимально измеряемой шероховатости по предлагаемой полезной модели.
Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаемая полезная модель устройства ультразвукового измерения шероховатости поверхности трубы позволяет быстро и качественно измерять шероховатость внутренней поверхности трубы (например, газопроводов), что невозможно осуществить ультразвуковым устройством по прототипу.