Неруйнівний контроль

- для прямих перетворювачів ці цифри не указуються

Рис.2.1.2 Класифікація позначення п'єзоперетворювачів

Позиція YI: для перетворювачів спеціального призначення застосовують умовне позначення додаткових характеристик, наприклад, Т120-максимальная температура контрольованого об'єкту 120°С; КН - керамічний захист, нормальне виконання корпусу; К36 - керамічний захист, діаметр п'єзоелемента 36 мм; М - малогабаритне виконання корпусу; ММ-мініатюрне виконання корпусу; НЗ -корпус нормальний, заливне виготовлення призми, і т.д [7]

Метод УЗ неруйнівного контролю, конфігурація об'єкту контролю, умови контролю і т.д. істотно впливають на вибір конструкцій п?єзо-перетворювачів. Тому вони мають багато різновидів. Проте принципи, покладені в основу створення конструкцій перетворювачів, зберігаються для всіх типів перетворювачів. Основний елемент перетворювача - п'єзоелемент. Розміри і форма п'єзоелемента визначаються з умов використовування перетворювача. Основний розмір п'єзоелемента - його товщина. Як правило це товщина резонансна[4].

В серійних п?єзоперетворювачах, що входять в комплекти більшості дефектоскопів і структуромірів, п'єзоелемент має круглу форму, хоча кращі діаграми спрямованості при тих же лінійних розмірах мають прямокутні п'єзоелементи. В даному дефектоскопі пп круглий. Перевагою круглих п'єзоелементів є відсутність виділених в площині п'єзоелемента напрямів і, як наслідок, відсутність обмежень в напрямах рухів, здійснюваних оператором при контролі виробів прямим перетворювачем. Поперечні розміри п'єзоелемента повинні бути багато більше його товщини. Прагнення підвищити продуктивність контролю приводить до збільшення поперечних розмірів п'єзоелемента, що часто входить в суперечність з електричними характеристиками навантажень генератора.

П?єзокерамічні елементи для частоти вище за 2 Мгц, як правило, мають товщину менше 1 мм, а для частот вище 20МГц виготовити перетворювачі за звичайною технологією досить складно. Керамічні заготівки малої товщини не мають достатньої міцністі і, як правило, ушкоджуються при маніпуляціях, пов'язаних з поляризацією і виготовленням самої конструкції шукача.

Рейки виготовлені зі сталі Р65. Швидкість УЗ коливань у сталі нам відома. Це 6000 м/с. Перетворювач для їх контролю виготовлений з матеріалу ЦТС-19. Він має швидкість розповсюдження УЗ коливань 3300 м/с. Наш перетворювач працює на частоті 5 МГц. Виходячи з цього можна визначити розміри перетворювача. Для зручності контролю він має дискову форму. Її виготовляють із п'єзоелектричних матеріалів: кварцу, цирконата-титанату свинцю (ЦТС), титану барія та ін. Для даного випадку в якості материалу п'єзопластини оберемо ЦТС-19. Він володіє високим коефіцієнтом електромеханічного зв'язку і високою діелектричною сталою.

де f - частота

h=0.33 мм - товщина п'єзоперетворювача

Обчислимо мінімальний дефект, який можна виявити нашим приладом. Він співвимірний з довжиною хвилі, яка випромінюється перетворювачем

Виходячи з міркувань, що дефект знаходиться в ближній зоні, ми можемо розрахувати діаметр дискового п'єзоперетворювача. Зона дефектів становитиме 45 мм. Це висота голівки рейки. Саме там, якщо звернутися до першого розділу, найбільш часто виникають дефекти. І саме в ній вони становлять найбільшу небезпеку. Ближня зона має охоплювати і перевищувати цю всю зону. Формула для розрахунку ближньої зони.



де d - діаметр перетворювача

Для задоволення умови ближньої зони, ми обираємо діаметр перетворювача 8 мм.

Ближня зона 13,3 мм, тобто дефектоскоп працює в перехідній зоні.

2.2 АКУСТИЧНИЙ ТРАКТ

Для визначення дефектів ми використовуємо напругу. Визначимо електричну напругу сигналу, прийнятого дефектоскопом. Сигнал випромінювання оберемо 10 В.

Кпп близький по величині коефіцієнту електромеханічного зв'язку і на відміну від нього, окрім оцінки п'єзоелектричних властивостей пєзоматеріа-лу, залежить ще від форми і розмірів перетворювача, частоти перетворення, демпфування як механічного, так і електричного. Коефіцієнт подвійного перетворення чимось нагадує енергетичну оцінку схеми генератор-мотор-генератор - її кпд. Нехай Кпп=0,15. Треба визначити коефіцієнт послаблення акустичного тракту.

Акустичний тракт - це шлях ультразвукової хвилі від випромінюючого перетворювача до перетворювача-приймача. В цей тракт включаються і власне перетворювачі - їх механічна сторона. Акустичний тракт - це чисто механічний тракт[7].

Аналіз акустичного тракту в основному зводиться до складання його схеми, розрахунку звукових полів випромінювання-прийому з урахуванням характеристик акустичного тракту. Основним результатом розрахунку акустичного тракту є коефіцієнт ослаблення акустичного тракту (або просто - коефіцієнт акустичного тракту)

де Pп і Рв - акустичний тиск в приймаючому і випромінюючому перетворювачах, виникаючі в процесі випромінювання-прийому.

Коефіцієнт акустичного тракту - числова величина. Розкривається коефіцієнт акустичного тракту через формулу акустичного тракту. Формула акустичного тракту враховує променеву картину, характеристики спрямованості випромінювання-прийому і структурну схему акустичного тракту (акустичні характеристики і розміри середовищ, що перетинаються акустичним променем).

Метою оптимізації акустичного тракту є досягнення такого співвідно-шення між характеристиками випромінюваного сигналу (частота, характеристика спрямованості, тривалістю зондуючого імпульсу та ін..) і характеристиками акустичного тракту (матеріал перетворювача, згасання звуку в об'єкті контролю, характеристики акустичного контакту, межі розділу, розміри і характер дефектів і ін.), при якому коефіцієнт акустичного тракту досягає максимального значення і при цьому не погіршується основна якість пристрою: похибка вимірювання або достовірність контролю.

Електроакустичний тракт - це частина електричної схеми, що включає і електричну сторону перетворювача, де відбувається електромеханічне пряме (або зворотне) перетворення. Електроакустичний тракт визначає в більшості випадків резонансну (робочу) частоту випромінювання, форму зондуючого імпульсу і коефіцієнт перетворення електричної енергії в акустичну і навпаки.

Електроакустичний тракт включає п'єзоелектричний перетворювач (його електричну сторону) і інші елементи конструкції перетворювача, що впливають на формування сигналу, а також приєднані до перетворювача електричні ланцюги. Таким чином, електроакустичний тракт - це електричні ланцюги, по яких проходить сигнал від генератора зондуючих імпульсів до перетворювача, перетворюється в акустичний сигнал, а при прийомі - формується електричний сигнал прийому, який подається до вхідних ланцюгів (клем) підсилювального (електричного) тракту. Основною оцінкою електроакустичного тракту є його коефіцієнт ослаблення (коефіцієнт електроакустичного тракту).

де Uп - прийнятий сигнал, приведений до входу аналогового електричного тракту, Uв - напруга зондуючого сигналу.

На малюнку зображені схеми п'єзоелектричного перетворення при випромінюванні і прийманні. Суть розрахунку акустичного тракту зводиться до наступної моделі. В результаті електричного збудження випромінювача в ньому виникає внутрішня механічна напруга, яка розглядається як акустичний тиск в тілі перетворювача.

Хвиля акустичного тиску, що виникла в перетворювачі, через межі розділу розповсюджується в об'єкті контролю відповідно до характеристики спрямованості випромінювача. Дефект (або відбивач), що знаходиться в акустичному полі випромінювача, стає вторинним випромінювачем зі своїм випромінюваним акустичним тиском і з своєю характеристикою спрямованості. Тепер роль приймача виконує первинний випромінювач. Знаходження Рп або Кат є основною метою розрахунку акустичного тракту[1].

Остаточні розрахункові співвідношення коефіцієнта ослаблення акустичного тракту залежать від розміру дефекту і його положення в характеристиці спрямованості випромінювання. У зв'язку з цим розглянуто 4 базові моделі акустичного тракту. Скористаємося формулою ближньої зони для тракту дефектоскопії лунаімпульсного методу для нормального введення.

Межа м'яка, тому коефіцієнт відбиття по тиску Rp =-1, тобто 1.

Ті - коефіцієнт проходження по інтенсивності - можна визначити за формулою

де z - імпеданси сталі та ЦТС-19

Для сталі густина =8000 кг/м3, для ЦТС-19 =7000 кг/м3. Підставимо ці значення у формулу, враховуючи те, що швидкості УЗ в сталі та ЦТС-19 нам відомі. Маємо z для сталі буде 6000*8000=48 000 000, z для ЦТС-19 буде =3300*7000=23 100 000. Знаючи імпеданси, знайдемо Ti.

S' - площа дефекту

Розрахуємо акустичний тракт для плоскодонного отвору, діаметром d=1 мм

мм2

h - глибина залягання 150 мм

Підставивши ці дані в рівняння, маємо

мм2 ,

мм .

,

.

Тоді

Дефект міститься в дальній зоні.

Таким чином,

Отже коефіцієнт послаблення акустичного тракту Ка.т.=0,02. Розрахуємо прийняту напругу

Отже нам треба фіксувати напругу в 0,03 В. Цю напругу необхідно підсилити, для чого й використовуємо підсилювач. Коефіцієнт підсилення задається відповідними резисторами. Максимальна напруга, яку можна подати на п'єзоелемент (напруга пробою):

де h - товщина ОК; Eпр - максимальна напруженість для ЦТС,=3000 В/м

Більше аніж 40,5 В подавати на перетворювач не можна.

Генератор ударного збудження.

Мал.21

Генератор ударного збудження призначений для збудження п'єзоелемента, який в свою чергу генерує ультразвукові коливання в об'єкт контролю.

Генератор працює наступним чином: при відсутності синхроімпульса на управляючому електроді тиристора D5, тиристор запертий і в цей час відбувається заряд кондесатора C1, до рівня:

Uc =+E по контуру +Е, R1, C1, R3, L1. При надходженні на управляючий електрод тиристора D5 синхроімпульса C1 він відкривається, і конденсатор C1 розряжаеться по контуру C1, VQ1, R3, L1, викликаючи при цьому збудження резонасного контуру VQ1, R3, L1. При збуждженні резонансного контуру, п'єзоелемент генерує акустичні коливання в ОК. Схема VD1 - VD2 - схема захисту.

Значення напруги, яке потрібно подати на генератор, розраховується за формулою

2.3 ПОХИБКИ ВИМІРЮВАННЯ

Сумарна похибка результату вимірювання включає, перш за все:

- похибку формування вимірювального інтервалу;

- похибку перетворення вимірювального інтервалу у форму аналога, зручного для подальшого аналого-цифрового перетворення. Це або похибка розширення вимірювального інтервалу, або похибка перетворення його в напругу;

- похибку аналого-цифрового перетворення.

Якщо перша група похибок визначається в основному методичним вирішенням вимірювання і характером акустичного тракту, то решта груп визначається чисто апаратурними рішеннями і можуть бути доведені до скільки завгодно малої величини.

Можлива похибка через варіації швидкостей проходження звуку в ОК. Наприклад якщо залізнична рейка має температуру більшу за еталонну, то швидкість ультразвуку в ній зростає. Це впливає на величини, в які вона входить, зокрема на довжину хвилі, час та імпеданс.

Похибка електричного тракту становить 1%. Розрахуємо похибку квантування аналого-цифрового перетворювача

Вимірювання розмірів дефектів виконується доволі наближено у зв'язку з тим, що ці розміри доволі часто співвимірні з довжиною хвилі ультразвуку та шириною акустичного поля перетворювача. Тому помилки в 1,5 - 2 рази цілком допустимі і визнаються задовільним результатом, який відповідає можливостям методу

3. Розрахунок блоків функціональної схеми

3.1 Генератор

Генератор застосовується для збудження хвилі в ОК. Основним параметром цього генератора має бути стабільність частоти. Саме через це генератор має бути кварцовим та термостабілізованим. Стабільність частоти таких генераторів сягає, що при частотіf=5 Мгц буде рівнеДf=0.06 Гц.

Частота вихідного сигналу f=5 Мгц

Вихідна напруга на рівні Uг = 1В;

Напруга живлення генератора одно полярна Uж = 5В;

3.2 Підсилювач змінного струму

Даний підсилювач підсилює сигнал з генератора перед тим як він потрапляє на випромінювач. Для ефективної роботи випромінювача сигнал потрібен доволі великої потужності.

Виходячи із зроблених вище розрахунків ми знаємо, що вихідна напруга підсилювача має бути Uв= 15 В, а вхідна після генератора Uг = 1 В, одже

Основними параметрами підсилювача є:

1. Коефіцієнт підсилення Kп=15;

2. Вихідний струм І= 38 А;

3. Вихідна напруга Uв = 15 В;

4. Робоча частота f= 5 Мгц;

5. Напруга живлення Uж= ± 20 В;

Шуми, дрейф нуля, та завади спричинені нестабільністю джерела живлення великого значення не мають, оскільки при проходженні сигналу через ОК виникають завади на декілька порядків більші.

3.3 Підсилювач потужності

Даний підсилювач підсилює сигнал з генератора перед тим як він потрапляє на трансформатор. Його робота нічим не відрізняється від підсилювача перед випромінювачем, окрім того, що він менш потужний, та вхідна напруга рівна вихідній. Великих вимог до завадостійкості немає тому що трансформатор працює також як фільтр.

1. Напруга живлення 5В;

3.4 Попередній підсилювач

Попередній підсилювач прийнятого сигналу повинен мати низький рівень шумів і достатньо високий коефіцієнт підсилення, так як величина прийнятого сигналу складає приблизно 10 мкВ. Для зменшення впливу шумів і наводок на приймачі застосовуємо диференційний підсилювач. Отже схема попереднього підсилювача повинна відповідати наступним вимогам:

1. Низький рівень ЕДС шумів - 5.5 нВ/

2. Частота одиничного підсилення -25 МГц

3. Коефіцієнт послаблення синфазних вхідних напруг -114 дБ

4. Коефіцієнт впливу нестабільності джерела струму на напругу зміщення -10 мкВ/В

5. Максимальна швидкість збільшення вихідної напруги -12 В/мкс

6. Полоса пропускання - 10MHz

7. Живлення двополярне - ±15 В

3.5 Модулятор

В схемі застосований подвійний балансний модулятор (ПБМ). Він виконує функцію перемноження сигналів, в наслідок чого виникає широкий спектр сигналів. Корисною частиною спектра є низькочастотна складова, тому після модулятора застосовується фільтр низьких частот.

Амплітудно-частотна характеристика має виглядати як зображено на рис.

Рис. 3.1 АЧХ модулятора

3.6 Фільтри низьких частот

Цей функціональний блок в даній схемі застосовується для ослаблення високочастотних коливань, так як корисним сигналом є його низькочастотна складова. Фільтр представляє собою RCконтур, його АЧХ має виглядати як показано на рис.



Рис. 3.2 ФЧХ фільтра.

3.7 Блок аналого-цифрового перетворення (АЦП)

При оцифровці сигналу нам потрібно врахувати два параметри:

• частота дескритизації

• похибка квантування

За теоремоюКотельникова нам потрібно робити щонайменш 2 виборки сигнала за період найбільш високої гармоніки сигналу.Знаючи, що наш сигнал є постійним і змінюється лише при зміні властивостей ОК, частоту дискретизації можна взяти відносно невелику. Для того, щоб зробити прилад більш універсальним доцільно буде зробитичастоту дискретизації змінною.Генерувати її буде мікроконтроллер в межах 50-800 кГц. АЦП - 8 разрядів, що забезпечує невелику похибку квантування.

Виходячи з того,що для забезпечення мінімальної похибки вимірювання необхідно, щоб динамічний діапазон АЦП складав не менше 40Дб. Проведемо розрахунок відношення сигнал/шум (Ксш) для ідеального АЦП

Ксш розраховується за допомогою формули:

Ксш=(6.02*N*+1.76)

де N -кількість розрядів АЦП.

Ксш для 8 розрядного АЦП складає 49,92 Дб, що буде достатньо для виконання наших умов.

Основні характеристики АЦП:

2. АПЦ 8-ми розрядний паралельний;

3. Чатота дискретизації 800 кГц;

4. Напруга живлення 5В;

3.8 Регістри пам`яті

Оскільки пам`ять мікроконтролера обмежена, то подавати прямо на його порт оцифрований сигнал недоцільно.

Тому після блоку аналого-цифрового перетворення підключаємо пам`ять з частотою запису яка дорівнює частоті АЦП.

Вибираємо пам'ять об`єм якої становить 8K x 8 Static RAM, і часом зчитування, який менший періоду дискретизації АПЦ (12,5 с). Робота памяті керується за допомогоюмікроконтролера.

Основні характеристики пам`яті:

1. Об`єм становить 8K;

2. Час циклу с;

3. Напруга живлення 5В;

3.9 Мікроконтролер

Для керування роботою пристрою, зміною частоти генератора, запуску АЦП та запису виміряного і утвореного давачем сигналу в пам'ять з подальшим зчитуванням його і передачею інформації про сигнал на ПК (персональний комп'ютер) використовуємо мікроконтролер. Обраний мікроконтролер має 4 порти вводу-виводу, реалізовані апаратно 2 таймера-лічильника. Він може працювати на частоті до 3 МГц, що дозволить оперативно проводити виміри та швидко прийняти рішення. Для передачі інформації на ПК використовуємо послідовний порт вводу/виводу (USB).Також до мікроконтролера підключений інтерфейс через який здійснюється керування приладом, а також передача інформації оператору.

3.10 Блок живлення

Схема приладу буде живитися від джерела живлення постійного струму.

Мають бути присутні такі напруги живлення:

U1= 5В для інтегральних мікросхем, струм не буде перевищувати І=0,4А , потужність Р=2Вт

U2=±15 В напруга для попереднього підсилювача має бути високої стабільності, , потужність Р=1Вт

U3= ± 20 В Джерело струму для підсилювача потужності на випромінювач має бути значної потужності.P=UI=1540=600 Вт, єдине що випромінювання сигналу досить короткочасне, тому можна обійтися конденсатором значної ємності.

дефектоскоп п'єзокерамічний ультразвуковий

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1. В.В. Сухоруков - Неруйнівний контроль. Том 2. “Ультразвуковий контроль”

2. В.В. Клюєв - Неруйнівний контроль. Довідник в 7-ми томах. Том 3 “Ультразвуковий контроль”

3. Й. Крауткремер, Г. Крауткремер - Ультразвуковий контроль матеріалів

4. Л. В. Осипов - Ультразвукові діагностичні прилади

5. Н. П. Альошин, В.Г. Щербинський - Радіаційна, ультразвукова і магнітна дефектоскопія металовиробів

6. В.В. Козлов - Повірка приладів НК

7. В.К. Цапенко - Методичні вказівки з акустики

8. Інтернет-ресурси, зокрема сайти деяких металургійних заводів (в т.ч. «Азовсталь»)

Размещено на Allbest.ru