Проектирование промышленных ультразвуковых автоматизированных дефектоскопов

Таким образом, задача сводится к нахождению величины (-), изменение которой во времени определяет форму принятого сигнала. Ее можно рассчитать, в принципеtтаким же способом, который применен ранее, воспользовавшись линейностью системы и рассматривая каждый полупериод колебаний в. принимаемом импульсе как одиночный импульс. Анализ работы преобразователя при приеме импульсных сигналов в таком подходе приведен в [21]. Результаты расчета представлены на рис.2.17 в виде номограммы. Приведенные на ней кривые - это огибающие нормированных по амплитуде импульсов, излученных и принятых преобразователями с одинаковой акустической добротностью (или одним и тем же совмещенным преобразователем).

Расчет выполнен без учета влияния электрической нагрузки на режим колебаний пьезопластины. Для кварцевых преобразователей это влияние ничтожно мало. Для пьезокерамических, обладающих большим коэффициентом электромеханической связи наличие согласованной электрической нагрузки может заметно увеличивать затухание свободных колебаний пьезопластины за счет более эффективного преобразования упругой энергии в электрическую. Однако при наличии обычно применяемого сильного механического демпфирования дополнительное электрическое демпфирование сказывается незначительно и в первом приближении его можно не учитывать. При расчете с помощью приведенной номограммы длительность зарегистрированного импульса получится немного завышенной, что только улучшит надежность определения минимальной толщины контролируемых листов.

Номограмма на рис.2.17 дает число N периодов в импульсе при заданной акустической добротности Q преобразователей в зависимости от уровня отсчета q (в децибелах) относительно максимального значения амплитуды колебаний. Кривая 1 соответствует Q=3; 2-4; 3-5; 4-7; 5-10; 6-15,8 (для кварцевых недемпфированных преобразователей, нагруженных на воду). Тогда действующая длительность импульса

,

где f0 - собственная (резонансная) частота пьезопластины.

Таким образом, на длительность регистрируемого импульса влияет не только степень демпфирования колебательной системы преобразователей, характеризуемая здесь числом N периодов в импульсе, но и частота колебании: чем выше частота, тем короче импульс при данном числе периодов в нем. Более того, увеличение частоты предпочтительнее, чем демпфирование. С увеличением частоты, т.е. при уменьшений толщины пьезопластины, чувствительность преобразователя в режиме приема возрастает, а при демпфировании, наоборот, снижается, так как амплитуда вырабатываемого приемником сигнала пропорциональна акустической добротности. Поэтому укорочения импульсов следует стараться достичь прежде всего путем повышения частоты ультразвука, насколько это позволяет удовлетворение других требований к дефектоскопу.

Дополнительное искажение принятых сигналов может происходить также в электрическом приемно-усилительном тракте дефектоскопа. В первую очередь, это касается входной цепи усилителя, к которой подключен приемный преобразователь. В усилителях дефектоскопов в качестве входной цепи, обычно применяется колебательный контур. Как любая колебательная система, он обладает конечной полосой пропускания и может дополнительно затягивать принятый импульс. Поэтому электрическая добротность контура должна быть во всяком случае меньше акустической добротности преобразователей. Обычно принимают Qэ=1. Для неискаженного усиления электрических импульсов усилитель также должен обладать определенной полосой пропускания

где ф1 - длительность импульса на входе усилителя, отсчитываемая на уровне -40 дБ. Необходимая полоса обеспечивается обычными способами без особых затруднений и поэтому просто указывается в требованиях к усилителю.

2.2.2 Минимальная толщина листов, контролируемых методами прохождения

Возможность контроля листов методами прохождения ограничивается влиянием стоячей волны, которая может устанавливаться по толщине листа, если она соизмерима с протяженностью ультразвукового импульса в металле. При наличии стоячей волны звукопрозрачность листа становится зависящей от его толщины. Изготовить лист строго одинаковой толщины по всей его площади по разным технологическим причинам невозможно. Действующие стандарты ограничивают разнотолщинность, листов обычного качества допуском 10%. Например, для листов номинальной толщины 10 мм он достигает значения 1 мм, которое приблизительно равно половине длины волны в стали на частоте 2,5 МГц. При сканировании такого листа амплитуда прошедших импульсов, имеющих протяженность, достаточную для установления стоячей, волны, будет претерпевать значительные изменения в отсутствие каких-либо внутренних дефектов, и контроль листа методами прохождения окажется невозможным.

Чтобы не допустить образования стоячей волны, нужно ограничить длительность ф зондирующих импульсов условием

где Н - толщина листа; сl - скорость звука в нем. Тогда к моменту возникновения стоячей волны действие импульса прекратится, и стоячая волна установиться не сможет. К сожалению, это простое условие применимо только к импульсам с прямоугольной огибающей, У реальных зондирующих импульсов задний срез всегда затянут, длительность импульса зависит от уровня отсчета, и анализ процесса установления стоячей волны более сложен.

Формирование в этом случае прошедшего через лист сигнала иллюстрирует рис.2.18,а. Видно, что сигнал складывается из ряда следующих друг за другом импульсов: первого прошедшего, второго, третьего и т.д. Первый прошедший импульс соответствует прямому, прохождению зондирующего импульса через лист. Если пренебречь дифракционным расхождением ультразвукового пучка при распространении через лист и затуханием ультразвука, что оправдано рассмотрением листов минимальной толщины, то амплитуду первого прошедшего импульса можно записать как , где оИ - амплитуда смещения в падающем на лист зондирующем импульсе; ГГЛ - коэффициент прозрачности грани листа по энергии, формально учитывающий прохождение волны через обе грани последовательно. Второй прошедший импульс соответствует импульсу, прошедшему через лист после двухкратного отражения между его гранями: , где RГЛ - коэффициент отражения от грани листа по амплитуде. Третий импульс соответствует четырехкратному отражению и т.д. На рис.2.18 для наглядности амплитуды прошедших импульсов увеличены в ГГЛ раз.

Импульсы интерферируют друг с другом, причем сдвиг фаз между ними зависит от толщины листа. Но поскольку любой лист обладает разнотолщинностью, то при прозвучивании его разных участков результат сложения импульсов из-за нестабильной разности фаз будет неодинаков, т.е, амплитуда результирующего прошедшего импульса будет флуктуировать. На рис.2.18,б,в показаны результирующие сигналы, соответствующие прохождению зондирующего импульса через участки листа, толщина которых различается на четверть длины волны, например и л. Видно, что амплитуда сигнала при этом изменяется приблизительно в три раза, что делает контроль такого листа практически невозможным.

Заметим, что стоячая волна образуется в листе при сложении компонентов акустического сигнала. При приеме суммарный сигнал искажается дополнительно. Практический интерес представляет результирующий эффект, который получается на выходе усилителя дефектоскопа в амплитудном дискриминаторе регистрирующего устройства, где амплитуда принятого и усиленного сигналов сравнивается с выставленным порогом срабатывания. Упомянутое двухкратное искажение сигналов формально можно учесть за один раз на основе принципа суперпозиции, рассматривая сложение двухкратно искаженных компонентов, составляющих эти сигналы. Тогда для оценки искажения можно воспользоваться номограммой на рис.2.17, а изображения импульсов на рис.2.18 рассматривать как осциллограммы электрических сигналов.

Чтобы исключить нежелательную интерференцию необходимо раздвинуть импульсы, т.е. увеличить толщину листа. В частности, регистрация ложных дефектов будет отсутствовать, если второй прошедший импульс будет приходить после того, как амплитуда колебаний в первом достигнет максимального значения . Тогда ниже этого уровня амплитуда результирующего сигнала не упадет даже при противофазном сложении компонентов (как показано на рис.2.18,г). Однако при синфазном сложении она может увеличиться (рис.2.18,д), и тогда может произойти пропуск дефекта.

Интерференция практически перестает сказываться на достоверности результатов контроля при любом (синфазном или противофазном) сложении компонентов, если второй прошедший импульс придет несколько позже - через промежуток времени, приблизительно в 1,5 раза превышающий время нарастания амплитуды колебаний в импульсе. Поэтому минимальная толщина листов, подлежащих контролю методами прохождения, определяется из условия

,

где Nmax - число периодов колебаний в результирующем (двухкратно искаженном) импульсе, в течение которых амплитуда его колебаний нарастает до максимума.

2.2.3 "Мертвая" зона при контроле методами отражения

Возможность контроля тонких листов методами отражения ограничивается возникновением в листах приповерхностной "мертвой" зоны - прилегающего к передней грани листа слоя металла, в котором дефекты не обнаруживаются. "Мертвая" зона обусловлена конечной длительностью ультразвуковых импульсов: если дефект расположен в листе близко к его грани, то эхо-импульс от дефекта маскируется задним срезом предшествующего зарегистрированного импульса. Для определения "мертвой" зоны действующая длительность маскирующего импульса оценивается на уровне, равном уровню регистрации амплитуд эхо-импульсов от дефектов. Этот уровень выставляется в дефектоскопе соответственно требуемой чувствительности контроля. Поэтому чем выше чувствительность (ниже уровень регистрации), тем большей получается длительность ф маскирующего импульса. В свою очередь, толщина h0 неконтролируемого слоя определяется через величину ф соотношением

(2.20)

Действующее значение длительности маскирующего импульса находится по номограмме на рис.2.17 для определенного уровня q отсчета, который задается, исходя из чувствительности контроля применительно к конкретному методу отражения.

При контроле обычным эхо-методом с прозвучиванием листов иммерсионным способом маскирующим является эхо-импульс от передней грани листа. Возникновение в этом случае "мертвой" зоны иллюстрирует рис.2.19, где 1 - зондирующий импульс; 2 - эхо-импульсы от передней грани; 3 - эхо-импульс от дефекта в "мертвой" зоне; 4 - эхо-импульс от регистрируемого, дефекта; 5 - 1-й донный импульс. Чувствительность контроля листов эхо-методом рекомендуется задавать уровнем ч регистрации дефектов относительно амплитуды донного импульса. Поскольку здесь идет речь о минимальной толщине листов (10…30 мм), дифракционным расхождением ультразвукового пучка в листе можно пренебречь и считать, что в листе распространяется плоская волна.

В таком приближении амплитуду UГР эхо-импульса от передней грани листа, находящегося в иммерсионной жидкости - воде, можно зализать как , где k - коэффициент пропорциональности; - коэффициент отражения от грани, по амплитуде; zМ - удельный акустический импеданс металла листа. Предполагается, что стоячая волна по толщине листа не устанавливается. Амплитуда эхо-импульса от дна , где ГГЛ - коэффициент прозрачности грани по энергии, формально учитывающей двухкратное прохождение импульса через переднюю грань. Следовательно, , и тогда порог U0 регистрации дефектов, заданный относительно амплитуды донного импульса, можно представить в виде . В результате, искомое значение уровня q, отсчета длительности маскирующего импульса будет определяться из соотношения

.

Для найденного значения q по номограмме на рис.2.17 определяется соответствующее число N периодов в эхо-импульсе от передней грани, и для известной частоты f0 ультразвука находится действующая длительность маскирующего импульса как . Наконец, по формуле (2.20) определяется величина "мертвой" зоны.

Минимальную толщину контролируемых листов находят при условии, чтобы дефекты, подлежащие обнаружению, не попадали бы в "мертвую" зону. Исходя из того, что внутренние дефекты в листах в основном сосредоточены в слое, занимающем среднюю треть по толщине листа,

Правда, вероятностный закон распределения дефектов по толщине листов пока не установлен. Поэтому оценить вероятность недобраковки листов, которая может иметь место из-за того, что некоторое число дефектов все-таки попадет в "мертвую" зону и не будет обнаружено, не представляется возможным. Чтобы исключить пропуск опасных дефектов, контроль листов можно осуществлять двухкратно с перекантовкой (прозвучивать со стороны обеих граней).

Более тонкие листы удается контролировать эхо-методом с регистрацией дефектов во временном интервале между первым и вторым донными импульсами и эхо-сквозным методом. Особенности этих методов в рассматриваемом аспекте иллюстрирует рис.2.20.В дополнение к уже введенным на рис.2.19 обозначениям здесь 6 - второй донный импульс; 7 - пара используемых информативных эхо-зеркальных импульсов от дефектов; 8, 9 - 1-й и 2-й прошедшие импульсы. Видно, что в первом случае маскирующим является первый донный импульс; во втором - первый прошедший импульс.

Выигрыш, который дает применение этих методов, по сравнению с обычным эхо-методом при иммерсионном прозвучивании листа, обусловлен двумя факторами. Во-первых, эхо-зеркальные и эхо-сквозные импульсы от дефекта всегда возникают попарно и регистрируются симметрично относительно середины рабочего временного интервала. Поэтому, если для регистрации дефекта использовать импульс, более удаленный от начала рабочего интервала, "мертвая" зона может занимать половину его протяженности. Во-вторых, при данных методах толщина неконтролируемого слоя сама по себе получается существенно меньшей. Объясняется это тем, что маскирующие донный и прошедший импульсы проходят через грань листа так же, как и эхо-импульсы от дефекта и, соответственно, ослабляются в той же мере. При этом пороги регистрации при таком варианте эхо-метода, устанавливаемые относительно первого донного импульса, а при эхо-сквозном - относительно первого прошедшего импульса, являются одновременно и уровнями отсчета длительности маскирующих импульсов.

Таким образом, при контроле эхо-методом с регистрацией сигналов во втором временном интервале и эхо-сквозным методом минимальная толщина листов, которые могут подвергаться контролю, определяется как , а протяженность "мертвой" зоны - через длительность маскирующего импульса, отсчитываемую на уровне q=ч.

2.3 Сканирование при автоматическом ультразвуковом контроле листового проката

Быстродействие дефектоскопа, оцениваемое временем, которое затрачивается на контроль листа определенных размеров, является одной из важнейших эксплуатационных характеристик дефектоскопа: она определяет возможность работы дефектоскопа в производственном потоке в комплекте прокатного стана. Время контроля, в первую очередь, зависит от реализуемой скорости сканирования, под которой понимают скорость относительного перемещения преобразователей и изделия.

2.3.1 Факторы, ограничивающие скорость сканирования

Скорость перемещения преобразователей в процессе сканирования листа при иммерсионном прозвучивании. в принципе ограничивается многими факторами. Некоторые из них не имеют практического значения и о них следует упомянуть только для логичности изложения материала. К числу таких факторов относится, например, время распространения ультразвукового сигнала в акустическом тракте дефектоскопа на пути от излучателя до приемника. Если датчики перемещаются с большой скоростью, то к моменту прихода сигнала к месту расположения приемника последний успеет сместиться в сторону, что может привести к потере сигнала. Перемещению датчиков с большой скоростью препятствует также возникновение в жидкости различных гидродинамических эффектов, которые вызывают флуктуацию амплитуд прошедших сигналов. С этими явлениями можно бороться применением специальных обтекателей. В результате упомянутые факторы ограничивают максимальную скорость сканирования значением порядка десятков метров в секунду. На практике по другим причинам скорость сканирования приходится выбирать значительно меньшей.

В числе таких причин, в первую очередь, следует упомянуть влияние частоты посылок зондирующих ультразвуковых импульсов и шага сканирования. Значения этих параметров сканирования непосредственно связаны со скоростью: за время между следующими друг за другом посылками импульсов датчик должен пройти путь, равный шагу сканирования. В частности, если шаг сканирования мал, то частота посылок не может быть больше определенной величины. Последняя находится из условия, что очередная посылка зондирующего импульса в этом случае может быть сделана только после того, как в листе и в прослойках иммерсионной жидкости практически полностью затухнут сигналы от предыдущей посылки. Иначе эти сигналы будут продолжать поступать на приемник, находящийся в точке следующего прозвучивания, и затруднять расшифровку его результатов. При заданном шаге сканирования ограничение на частоту посылок налагает ограничение на скорость сканирования.

Влияние на допустимую скорость сканирования шага и частоты посылок импульсов проявляется по-разному в зависимости от способа сканирования. При автоматическом контроле листов используется механическое и электронное сканирование. Возможны также и комбинированные способы сканирования.

2.3.2 Механическое сканирование

Механическое сканирование обеспечивается возвратно-поступательным перемещением датчиков, например, поперек листа, и применяется в основном при контроле эхо-методом. Одновременно сканирование в продольном направлении обеспечивается либо поступательным перемещением поперечного сканирующего устройства, либо перемещением контролируемого листа. В обоих случаях сканирующий ультразвуковой пучок движется относительно листа по траектории, близкой к синусоиде, как показано на рис.2.21. Собственно сканирование в пределах рабочего хода Lраб х осуществляется по приблизительно параллельным линиям [22].

Движение листа в продольном направлении должно, быть строго согласовано с поперечным сканированием: за время полного цикла поперечного движения пучка лист должен переместиться на расстояние, равное шагу продольного сканирования. Поэтому для уменьшения времени, затрачиваемого на контроль листа, скорость поперечного сканирования должна быть максимально возможной. Однако практически достичь высокой скорости перемещения преобразователей очень трудно. Ограничение здесь налагают не упомянутые в 2.3.1 факторы, а причины чисто механического характера. Чтобы в короткий промежуток времени затормозить, реверсировать и затем вновь разогнать каретку с преобразователями в обратном направлении, требуется большая мощность привода. Кроме того, осциллирующее перемещение каретки с высокой скоростью приводит к сильной вибрации механизма. Чтобы ее уменьшить, всю конструкцию пришлось бы выполнить очень массивной и, следовательно, громоздкой. Поэтому, обычно, сканирующие механические устройства рассчитываются на скорость не более 0,5...1,0 м/с.

Полный цикл перемещения каретки с преобразователями из одного крайнего положения в другое, кроме рабочего хода включает также участки торможения и разгона. Время движения по этим участкам является холостым (txx). Поэтому полное время tх цикла поперечного перемещения датчика можно представить суммой:

где Vx - скорость сканирования по ширине листа. Тогда время tк затрачиваемое на контроль листа, будет

где Ly- длина листа; Дy - шаг сканирования в, продольном направлении. Очевидно, что для повышения быстродействия дефектоскопа время холостого хода следует уменьшать. Оно зависит от типа и мощности привода. Для приближенной оценки быстродействия дефектоскопа можно считать, что в случае применения электропривода оно составляет 2...3 с на цикл. Применением пневмопривода, который обладает существенно большей "приемистостью" способностью эффективно преодолевать пиковую нагрузку; - время холостого хода на цикл может быть сокращено до 1,5...2,0 с. В среднем можно принять txx=2,0 с.

Например, время контроля листа размером 3Ч12 м при скорости сканирования в поперечном направлении 0,75 м/с и шаге сканирования по длине листа 10 мм получается равным 2 ч. При этом скорость перемещения листа 0,1 м/мин. Это по крайней мере на два порядка меньше, чем требуется для работы дефектоскопа в линии отделки листов толстолистового прокатного стана, где листы движутся по рольгангу непрерывно со скоростью 20...30 м/мин.

Повысить пропускную способность дефектоскопа при механическом сканировании можно путем прозвучивания листа не одной парой преобразователей, а несколькими парами одновременно. Соответственно увеличивается число каналов электроники, например число стандартных дефектоскопов. Преобразователи устанавливаются в ряд на подвижной траверсе с шагом, исключающем взаимодействие каналов. Однако необходимо иметь в виду, что увеличение числа датчиков уменьшает лишь величину рабочего хода, а холостой ход остается прежним или даже увеличивается из-за увеличения массы подвижной системы. Поэтому выигрыш в быстродействии получается непропорциональным увеличению числа каналов. Например, применительно к рассмотренному выше случаю при постоянной длине холостого хода увеличение числа преобразователей с одного до пяти (Lраб х=0,6 м) позволяет увеличить скорость движения листа в процессе контроля до 0,2 м/мин, т.е. в два раза, а в случае применения 10 преобразователей (Lраб х=0,3 м) - всего до 0,25 м/мин. Поэтому делать рабочий ход меньше 0,5 м просто нецелесообразно.

В связи с низким быстродействием дефектоскопы с механическим сканированием применяются только вне производственного потока для контроля единичных листов, из которых изготовляются ответственные изделия. В этом случае важна не производительность, а объективность и высокая достоверность результатов автоматизированного контроля, которые не обеспечить при обычной ручной дефектоскопии.

Массовую дефектоскопию листов в производственном потоке в настоящее время осуществляют многоканальными дефектоскопами с неподвижной акустической системой. Преобразователи в ней расположены в ряд поперек перемещающегося листа, как, например, показано на рис.2.22, т.е. в таком дефектоскопе осуществляется только продольное механическое сканирование. Все преобразователи работают одновременно, каждый со своим каналом электроники. Поэтому в ряду они устанавливаются с шагом, исключающим их взаимодействие При этом шаг сканирования в продольном направлении ограничивает только допустимая частота посылок зондирующих импульсов. Она должна быть такой, чтобы к очередной посылке многократно отраженные сигналы в слое иммерсионной жидкости успели бы затухнуть до уровня ниже порога регистрации, определяемого заданной чувствительностью контроля. Для оценки допустимой частоты следования можно воспользоваться неравенством

(2.21)

в зависимости от используемой для оценки чувствительности контроля модели отражателя (дисковый или плоскостной). В выражении (2.21) SИ, SD - площади преобразователя и дискового отражателя; Rд - коэффициент, отражения от плоскостного отражателя; L - толщина слоя иммерсионной жидкости между преобразователем и изделием толщиной Н H*=Ln+H - обобщенная толщина изделия; л0 и лl , д0 и дl - длины волны ультразвука и коэффициенты затухания продольных волн в жидкости и материале изделия; R1 и R2 -коэффициенты отражения (по амплитуде) от границы раздела и преобразователя.

Решение трансцендентных уравнений (2.21) относительно неизвестного параметра m позволяет определить максимальную возможную частоту F следования импульсов:

.

Расчеты показывают, что в данном случае можно применять скорость перемещения листа до 60 м/мин, что отвечает всем возможным на практике требованиям.

Шаг размещения преобразователей в поперечном направлении должен быть таким, чтобы амплитуда донного сигнала, принимаемого ближайшим преобразователем, не превышала порога регистрации. Это требует выполнения неравенства

,

где - характеристика направленности преобразователей радиусом а; - величина ближней зоны преобразователей; H*=Ln+H - обобщенная толщина листа; ч - отношение порога регистрации к амплитуде донного сигнала на бездефектном участке. На рис.2.23 представлены результаты расчета допустимого шага размещения преобразователей в акустической системе в зависимости от чувствительности контроля. Параметром кривых является относительная толщина контролируемых листов . Видно, что минимальный шаг размещения преобразователей отвечающий условию отсутствия взаимодействия каналов существенно зависит от используемой чувствительности контроля.

Плотность сканирования в поперечном направлении можно повысить путем расположения преобразователей в шахматном порядке, как это показано на рис.2.24. При этом независимость работы соседних каналов обеспечивается размещением преобразователей на расстоянии Lmin друг от друга. Однако это связано с увеличением числа преобразователей и, соответственно, электронных каналов. В специфических условиях металлургического производства электронные устройства вообще обладают пониженной надежностью. Поэтому практически число каналов электроники выбирают не более 50...80. Тогда, например, при контроле листов шириной 4000 мм, преобразователи приходится расставлять с шагом 80...50 мм соответственно. Точность регистрации условных размеров дефектов при этом получается очень низкой. Сканирование в поперечном направлении с малым шагом обеспечивается применением многоканального электронного сканирования.

2.3.3 Многоканальное электронное сканирование

Электронным сканированием в дефектоскопии условно называют сканирование ультразвуковым пучком, перемещение которого достигается путем Коммутации преобразователей многоэлементной неподвижной акустической системы с помощью электронных переключателей.

Применение электронного сканирования, не связанного с механическим перемещением элементов акустической - системы, снимает ряд ограничений, характерных для механического сканирования. Во-первых, в этом случае можно применять предельное значение скорости сканирования, которое при малом шаге определяется допустимым уровнем помехи от предыдущей посылки зондирующего импульса. Во-вторых, при электронном сканировании принципиально отсутствует "мертвый" ход, характерный для механических сканирующих систем, совершающих возвратно-поступательное движение. Это также существенно сокращает время сканирования, особенно при большом числе электронных каналов. Наконец, отсутствие необходимости преодолевать инерцию движущихся масс позволяет выбирать траекторию, сканирования в поперечном направлении сколь угодно сложной. Например, при расположении преобразователей в шахматном порядке (см. рис.2.24) их можно включать последовательно в соответствии с номерами, указанными на рисунке. Тогда со стороны акустики вообще не будет никаких ограничений ни скорость сканирования, так как срабатывающие друг за другом датчики расположены на расстоянии, исключающем их взаимодействие.

Однако при практическом осуществлении идеи электронного сканирования возникают трудности иного плана, из которых отметим две основные. Во-первых, технически трудно коммутировать мощные короткие электрические импульсы, подаваемые на излучатели. Во-вторых, в результате использования одного и того же электронного канала с разными акустическими каналами вновь появляется ограничение на частоту посылки зондирующих импульсов, теперь уже со стороны электроники, которая должна успевать расшифровывать и регистрировать получаемую информацию от датчиков.

Эти трудности преодолеваются применением нескольких одновременно работающих электродных каналов, к которым преобразователи подключены постоянно. Чтобы уменьшить число электронных каналов, преобразователи подключаются не по одиночке, а группами. Получается довольно сложная система взаимодействующих электронных и акустических каналов, обеспечивающая необходимые значения параметров сканирования. Эта система была разработана в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете и получила название многоканального электронного сканирования.

Рассмотрим работу устройства многоканального электронного сканирования на примере его использования в 9-элементной акустической системе теневого дефектоскопа с регистрацией результатов контроля на дефектограмме. Упрощенная функциональная схема такого дефектоскопа приведена на рис.2.25, а временные диаграммы сигналов - на рис.2.26.

Тактовый генератор ТГ вырабатывает последовательность импульсов, определяющих частоту поочередного срабатывания генераторов высокочастотных импульсов. Эти импульсы подаются на распределитель импульсов РИ. С выходов распределителя поочередно запускаются генераторы Г1...Г3. Каждый из генераторов возбуждает по три излучающих преобразователя. Ультразвуковые импульсы от преобразователей проходят через водные задержки, контролируемый лист и попадают на приемные преобразователи. После каждого срабатывания генератора принимаемые сигналы попадают на три приемных преобразователя. Принятые сигналы через коммутирующие каскада КК попадают на вход трех усилительно-логических блоков УЛБ. При срабатывании первого генератора к входу 1-го УЛБ подсоединяется Пр1, при срабатывании Г2 - Пр4 и т.д. Соответственно к входу УЛБ2 подсоединяются Пр2, Пр5, Пр8 и т.д. В УЛБ сигналы усиливаются, выделяются во времени временными селекторами, которые управляются строб-импульсами и сравниваются с пороговым напряжением. Строб-импульсы вырабатываются в блоке селектирующих импульсов БСИ, который, в свою очередь, управляется сигналами ТГ. Пороговое напряжение вырабатывается в блоке установки порогов БУП. Если амплитуда усиленного прошедшего через лист импульса выше порога, сигнал на ходе УЛБ отсутствует, что соответствует отсутствию дефекта в листе в данной точке контроля. Если амплитуда прошедшего импульса ниже порога, на выходе УЛБ появляется сигнал, свидетельствующий о наличии дефекта. На выходе УЛБ вырабатывается также специальный сигнал в случае отсутствия листа между данной парой излучатель - приемник. Вся эта информация вместе с информацией с РИ, показывающей, какой из генераторов срабатывает в данном такте, подается в систему записи информации СЗИ.

На рис.2.27 приведена структурная схема УЛБ, а на рис.2.28 - диаграмма сигналов в точках схемы в трех режимах. Сигналы с выхода коммутирующего каскада КК поступают на вход основного усилителя ОУ. С выхода последнего усиленные сигналы поступают на входы двух компараторов - компаратора первого прошедшего импульса К1 и компаратора воды KВ.KВ срабатывает в случае, когда листа между преобразователями нет, и на приемник приходит импульс, прошедший только через воду, Такой импульс в случае контроля стальных изделий примерно в 10 раз больше сигнала, прошедшего через бездефектный лист. Чтобы не перегружать усилитель и полностью использовать его динамический диапазон, сигнал на компаратор воды целесообразно подавать с дополнительного выхода ОУ, по которому коэффициент усиления меньше, чем по основному каналу. При срабатывании компаратора воды его выходной сигнал перебрасывает в единичное состояние RS-триггер - триггер воды ТВ. Сигнал логической единицы на выходе ТВ свидетельствует о том, что в данный момент между данной парой излучатель-приемник контролируемый лист отсутствует. В исходное нулевое состояние триггер устанавливается импульсом сброса одновременно с тактовым импульсом.

С основного выхода ОУ сигнал поступает на вход К1. На этот компаратор подается также строб-импульс из БСИ, примерно соответствующий по времени возможному приходу первого прошедшего импульса. Сюда же подается пороговое напряжение с БУП. Если пришедший импульс попадает в стробированный промежуток и при этом его амплитуда превышает пороговый уровень, компаратор вырабатывает импульсный сигнал. Этот сигнал устанавливает в состояние логического нуля RS-триггер дефекта ТД. Предварительно (в момент посылки) этот триггер сигналом сброса от БСИ устанавливается в единичное состояние. Таким образом, нулевое состояние на выходе ТД является признаком отсутствия дефекта, а единичное состояние на его выходе после момента прихода первого прошедшего импульса - признаком наличия дефекта. Импульс прошедший только через воду при отсутствии листа, не должен вызывать срабатывания K1, так как он лежит за пределами строба. Чтобы при этом состояние ТД соответствовало отсутствию дефекта, импульсы ТВ по дополнительному входу перебрасывают ТД в нулевое состояние.

Значения уровней на выходах ТВ и ТД сами по себе могут служить управляющими сигналами для системы регистрации. Однако часто используется импульсная кодировка дефектоскопической информации. При этом выходные сигналы ТД и ТВ подаются на первые входы схем И1 и И2. На второй вход И1 подается из БСИ импульс опроса дефекта, на второй вход И2 - импульс опроса воды. Выходы И1 и И2 объединяются по схеме ИЛИ. Импульсы опроса отличаются временем прихода - опрос дефекта производится значительно раньше опроса воды. Таким образом, на выходе УЛБ мы имеем одну из трех информаций: отсутствие сигнала, когда в данной точке контроля имеется бездефектный участок листа; импульс, пришедший в конце цикла, соответствующий информации об отсутствии листа; импульс, пришедший примерно в середине цикла, соответствующий информации о наличии дефекта. Для системы регистрации с токовой записью на носитель это означает, что отсутствие листа отмечается малым временем записи, наличие дефекта отличается большим временем записи, а бездефектному листу соответствует отсутствие записи. При регистрации на токочувствительную бумагу типа ЭТБ-2 длительностью единичной записи определяется яркость точки. При этом бездефектные участки листа отмечаются отсутствием записи, отсутствие листа - полутоновой записью, наличие дефекта - яркой записью.

Бумага в записывающем устройстве движется синхронно с движением листа через акустическую, систему. Синхронность достигается применением сельсинной связи, которая на схеме не показана. Сельсин-датчик приводится во вращение от привода рольганга, по которому перемещается контролируемый лист; сельсин-приемник вращает механизм, протягивающий бумагу через записывающее устройство. В результате на бумаге получается растровое изображение всех обнаруженных в листе дефектов в плане - дефектограмма листа.

Наличие дефектограммы очень важно для листов, которые используются не целиком, а подлежат раскрою: лист можно раскроить так, что все дефектные участки уйдут в отход. Если же листы идут в производство целиком без раскроя и их качество оценивается по классам в соответствии с ГОСТами [4, 5] то наличие дефектограммы также высоко ценится в производстве - это объективный документ качества листа. Однако определение соответствия листа техническим условиям по дефектограмме представляет весьма кропотливую работу: необходимо обмерить и вычислить площадь всех обнаруженных несплошностей. Естественно, что эту работу целесообразно поручать вычислительной технике. Поэтому современные высокопроизводительные дефектоскопы часто снабжаются специализированными ЭВМ и в результате процесс контроля полностью автоматизируется.

В заключение оценим быстродействие реального дефектоскопа многоканальным электронным сканированием, предназначенного, например, для работы с толстолистовым станом "2800" - ширина прокатных валков 2800 мм. Тогда ширину прозвучиваемого поля следует принять в пределах 2800...2900 мм, т.е. с некоторым запасом, чтобы неточно уложенный на рольганг лист не вышел из прозвучиваемого поля. Если принять шаг сканирования по ширине с листа Дx=10 мм, то потребуется акустическая система с 280…290 датчиками. В данном случае целесообразно применить 12 УЛБ и 24 генератора (которые имеют меньше элементов). Тогда число пар датчиков будет 288, которое и примем для расчета.

К каждому усилителю будет подключено по 24 приемных датчика; они должны принимать сигналы из соответствующих акустических каналов поочередно: следующий акустический сигнал может быть задействован только после того, как в отработавшем полностью затухнут сигналы. Ранее было показано, что для этого требуется время порядка 10-3 с. Соответственно, длительность такта примем равной 10-3 с. Тогда полный цикл поперечного сканирования при выбранном числе каналов будет tП=24Ч10-3 с. Следовательно, чтобы шаг продольного сканирования был равен 10 мм, лист должен перемещаться со скоростью 25 м/мин, что достаточно, для работы в производственном потоке толстолистового стана в линии отделки листов.

Быстродействие дефектоскопа можно значительно увеличить применив, коммутацию приемных датчиков: с помощью электронных ключей подключать к усилителю только тот датчик из группы, который работает в данном такте. При этом можно не учитывать постепенное затухание сигнала в отработавшем акустическом тракте, так как ключ их отсечет. Тогда длительность такта будет определяться временем распространения сигнала в акустическом тракте (приблизительно 100 мкс) и временем регистрации в основном длительностью записи (приблизительно 300...400 мкс). Тогда период следования равен максимум 500 мкс, т.е. скорость движения листа может быть доведена приблизительно до 50 м/мин.

Таким образом, многоканальное электронное сканирование решает задачу требуемого быстродействия дефектоскопа при относительно небольшом числе электронных каналов. Однако объем электроники в этом случае получается все-таки значительным.

Следует отметить, что структурная схема, приведенная на рис.2.25, полностью описывает и работу многоканального дефектоскопа с использованием "многократной тени", а также эхо-сквозного дефектоскопа. Отличие состоит только в УЛБ [14].

3. ОБЩАЯ КОМПОНОВКА ДЕФЕКТОСКОПА. ТИПОВЫЕ КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ ОСНОВНЫХ УСТРОЙСТВ

ультразвуковой контроль дефект лист

Любой промышленный листовой автоматизированный дефектоскоп состоит из двух основных частей: акустомеханической системы и электронной аппаратуры. Акустомеханическая система осуществляет автоматическое прозвучивание контролируемого листа в соответствии с применяемой схемой сканирования; электронная аппаратура управляет прозвучиванием, а также расшифровывает и регистрирует получаемую информацию о состояний внутренней структуры листа.

Акустомеханическая система включает в себя: а) систему ультразвуковых датчиков совместно с механизмом продольного и поперечного сканирования, если последние применяются в дефектоскопе; б) локальную или погружную иммерсионную ванну, с помощью которой осуществляется иммерсионный способ прозвучивания; в) механизм продольного сканирования - чаще всего рольганг, по которому перемещается лист через дефектоскоп в процессе контроля. Компоновка дефектоскопа из упомянутых устройств и выбор их конструктивных решений определяется, главным образом, применяемыми в дефектоскопе методом ультразвуковой дефектоскопии и схемой сканирования.

В случае контроля листов эхо-методом и зеркально-теневым, когда акустический контакт с листом требуется только с одной стороны, для осуществления контроля применяются стационарные иммерсионные ванны; целесообразно применение локальной ванны. При этом габариты всего устройства получаются минимальными и дефектоскоп легко вписывается в действующий технологический поток в цехе. Пример конструкции акустомеханической системы такого дефектоскопа с локальной ванной приведен на рис.3.1.

Контролируемый лист 1 с помощью роликов 2 рольганга перемещается относительно локальной иммерсионной ванны 3. Ультразвуковые преобразователи 4 размещаются с определенным шагом на подвижной траверсе 5, совершающей под действием пневмопривода 6 возвратно-поступательные перемещения перпендикулярно движению листа. Вода в локальную ванну подается через запорные вентили 7 и систему водовода 8.

В случае применения многоканального сканирования акустическая система соответственно видоизменяется: поперечная траверса выполняется неподвижной, а датчики равномерно размещаются на всю ширину листа с необходимым шагом. При этом конструкция локальной иммерсионной ванны и связанных с нею устройств не изменяются.

В связи с большим расходом воды водоснабжение дефектоскопа осуществляется в замкнутом цикле. Для этого вытекающая из локальной ванны вода собирается водосборником и через водопровод насосом возвращается в ванну (на рис.3.1 эти элементы не показаны). Использование водооборота также позволяет вводить в воду специальные добавки, улучшающие смачиваемость поверхности листа (поверхностно-активные вещества, например, ОП-7), что необходимо для создания с ним надежного акустического контакта. В воду также добавляют ингибитор NaNO3, препятствующий коррозии металлических конструкций и листа. Если бы вода сбрасывалась в канализационную сеть, то такая возможность была бы исключена.

Для осуществления сквозного прозвучивания при контроле теневым и эхо-сквозным методами листы обычно полностью погружайся в воду: реализуется иммерсионный способ в прямом смысле этого термина. Схематическая компоновка основных устройств дефектоскопа с погружной иммерсионной ванной показана на рис.3.2. Изображен момент передачи листа 1 с цехового рольганга 2 на выдвинутую в верхнее положение приемную секцию рольганга 3 дефектоскопа. Затем приемная секция вместе с листом с помощью гидравлического или механического приводов опускается в нижнее подводное положение, где она стыкуется с неподвижной центральной секцией 4 рольганга. При включении всего рольганга дефектоскопа лист перемещается под водой и проходит через акустическую систему 5, которая состоит из соосных излучающих и приемных датчиков, расположенных неподвижно поперек ванны. После прозвучивания лист выносится рольгангом на сдаточную секцию 6. Последняя поднимает лист над водой, откуда его снимают краном и укладывают в тот или иной штабель в соответствии с результатами контроля. Подвал 7 под ванной используется для обслуживания нижней акустической системы.

Для погружения в иммерсионную ванну относительно тонких листов (до 60 мм) большой длины можно использовать непрерывный рольганг, валки которого расположены по цепной линии. В результате этого лист изгибается, проходя через край иммерсионной ванны, погружаётся в воду и горизонтально проходит через акустическую систему.

Общий вид акустической системы, осуществляющей прозвучивание листов с многоканальным электронным сканированием, изображен на рис.3.3. Система состоит из двух металлических сварных коробов 1 и 2 - линеек, на крышках которых установлены ультразвуковые преобразователи 3. Внутри линейки с излучающими преобразователями выполнен их электрический монтаж и выходные каскады высокочастотных генераторов. Внутри приемной линейки могут размещаться входные цепи и предварительные усилители электронных каналов. Линейки скреплены между собой посредством четырех колонок 4, обеспечивающих строгую соосность излучающих и приемных датчиков. Отверстия 5 используются для крепления уплотняющей резиновой манжеты.

Сочленение акустической системы 1, 2 с корпусом иммерсионной ванны 3 схематически показано на рис.3.4. Здесь важно отметить, что акустическая система устанавливается на отдельном фундаменте 4 и связана с корпусом ванны через резиновую манжету 5. Это необходимо, чтобы уменьшить передачу на датчики 6 вибрации ванны, которая возникает в процессе перемещения листа 7 по установленному в ней рольгангу 8.

Электронная аппаратура дефектоскопа размещается в специальном аппаратном помещении, расположенном рядом с ванной вблизи акустической системы, и соединяется с ней системой кабелей.

Недостатком применения погружной иммерсионной ванны являются ее большие габариты. Длина ванны должна, по крайней мере, вдвое предавать максимальную длину контролируемых листов: 10…15 м. Практически она получается еще больше. Такое громоздкое сооружение трудно вписать в действующий производственный поток. Поэтому листовые дефектоскопы с погружной иммерсионной ванной обычно устанавливаются отдельно в той части цеха, где есть место. Естественно, это усложняет транспортные коммуникации в цехе и уменьшает реальную пропускную способность дефектоскопа.

Зато иммерсионные дефектоскопы с погружной ванной очень надежны в эксплуатации. В настоящее время в отечественной металлургической промышленности с их помощью дефектоскопируется _значительная часть толстолистового проката. Это теневые установки УЗУЛ [23]; установки УДЛ [24], реализующие многократнотеневой метод; ДУЭТ [I4], в которых одновременно используются теневой и эхо-сквозной методы ультразвуковой дефектоскопии, а также УЗУП [25] с одновременным использованием зеркально-теневого и эхо-метода с регистрацией эхо-импульсов в первом и втором временных промежутках. Все эти установки разработаны и изготовлены в ГЭТУ совместно с металлургическими заводами. Основные технические характеристики этих установок приведены в таблице.

Результаты контроля получают в виде дефектограммы листа в масштабе 1:10. Соответствие проконтролированного листа техническим условиям определяется непосредственным измерением условных размеров обнаруженных несплошностей по дефектограмме.

Малый шаг сканирования по длине листа в разработанной аппаратуре принят, чтобы обеспечить запись обнаруженных несплошностей практически сплошными линиями для наглядности изображений. В современных листовых дефектоскопах для обработки регистрируемых сигналов и для оценки качества листов по данным ультразвукового контроля часто применяют ЭВМ. В этом случае шаг сканирования в обоих направлениях целесообразно выполнять одинаковым.

Поскольку регистрацию несплошностей для исключения значительной перебраковки листов приходится производить с применением принципа накопления, значение шага сканирования нецелесообразно выбирать существенно меньшим диаметра пьезоэлементов преобразователей. Этот диаметр при использовании узких ультразвуковых пучков приближенно определяет интервал корреляции регистрируемых сигналов.

Технические характеристики ультразвуковых автоматизированных установок для контроля листового проката

Список литературы

Атлас дефектов стали/ Пер.с нем.- М.:Металлургия, 1978.

Голубев A.С., Харитонов А.В. Творческое наследие профессора С.Я.Соколова в области ультразвуковой дефектоскопии// Дефектоскопия. - 1979. - №7. - C.7-I5.

Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий: Справочник/ Под ред.В.В.Клюева. - М.: Машиностроение, 1986. - Т.2.

ГОСТ 22727-88. Прокат листовой. Методы ультразвукового контроля. - Взамен ГОСТ 22727-77; Введ. с 01.07.88. - М.: Изд-во стандартов, 1988.

ГOCT 28831-90. Прокат толстолистовой. Методы ультразвукового контроля. - Введ. с 01.07.92. - М.: Изд-во стандартов, 1991.

Лепендин Л.Ф.. Акустика. - М.: Высш.шк., 1978.

Аббакумов К.Е., Голубев А.С., Полунин Н.Н. Акустические свойства дефектов типа раскатанного включения гранита в листах медных сплавов/ Дефектоскопия. - 1980. - №7. - С.40-45.

Добротин Д.Д., Паврос С.К. Обработка сигналов при неразрушающем контроле: Учеб.пособие/ ЛЭТИ. - Л., 1986.

Голубев А.С, Добротин Д.Д., Паврос С.К. О выборе порога срабатывания теневых иммерсионных ультразвуковых дефектоскопов при контроле изделий с шероховатой поверхностью// Дефектоскопия. - 1975. - №3. - C.7I-77.

Паврос С.К., Жарков К.В. Методы ультразвуковой дефектоскопии: Учеб.пособие/ ЛЭТЙ. - Л.,1982.

Голубев А.С., Добротин Д.Д., Паврос С.К. Влияние шероховатости поверхности изделия на флуктуацию амплитуд регистрируемых сигналов при иммерсионном контроле теневым методом// Дефектоскопия. - 1982. - №4. - С. 51-56.

Артемов В.Е., Паврос С.К. О максимально реализуемой чувствительности контроля методом многократной тени// Дефектоскопия. - 1982. - №9. - С.28-30.

Голубев А.С, Веревкин В.М., Паврос С.К. Акустический тракт дефектоскопа при контроле листов эхо-сквозным методом в иммерсионном варианте// Дефектоскопия. - 1980. -№7. - С.70-79

Веревкин В.И. Ультразвуковые установки ДУЭТ для контроля толстолистового проката// Дефектоскопия. - 1982. - №1. - С.6-12.

Максимов А.А., Мамистов СВ., Паврос С.К. О максимально реализуемой чувствительности контроля горячекатаного листового проката эхо-сквозным методом// Изв.ЛЭТИ. - 1985. - Вып.355, - C.101-106.

Паврос С.К., Максимов А.А. О влиянии шероховатости изделия при контроле эхо-методом в иммерсионном варианте// Дефектоскопия.. - 1984. - №4. - С.11-15.

Паврос С.К., Максимов А.А. О максимально реализуемой чувствительности контроля эхо-методом изделий с крупнозернистой структурой и шероховатой поверхностью// Дефектоскопия. - 1986. - №3. - С.3-8.

Веревкин В.М., Голубев А.С, Евдокимов Н.А. О влиянии коробоватости и волнистости листов на чувствительность контроля теневым методом ультразвуковой дефектоскопии// Изв.ЛЭТИ. - 1971. - Вып.95. - С.46-49.

Круглов Б.А. Упругое поле поршневого преобразователя при иммерсионном способе контроля// Дефектоскопия. - 1969. -№6. - C.5-I4.

Паврос С.К., Артемов В.Е. Влияние непланшетности горячекатаного листового проката на результаты контроля теневым методом// Дефектоскопия. - 1986. - №2. - С. 3-8.

Голубев А.С. Преобразователи ультразвуковых дефектоскопов: Учеб.пособие/ ЛЭТИ. - Л.., 1986.

Голубев А.С., Паврос С.К. Проектирование промышленных ультразвуковых автоматизированных дефектоскопов: Учеб.пособие/ ЛЭТИ. - Л., 1983.

Промышленный ультразвуковой контроль качества толстолистового проката с помощью установок УЗУЛ/ ЛДНТП. - Л., 1968.

Аббакумов К.Е., Добротин Д.Д., Паврос С.K. Промышленные автоматизированные многоканальные ультразвуковые дефектоскопы для контроля толстолистового проката/ ЛДНТП. - Л., 1989.