PL166109B1 - Uklad glowic ultradzwiekowych do pomiaru czasu przejscia impulsów falultradzwiekowych PL PL - Google Patents

Abstract

Uklad gtowic ultradzwiekowych do pomiaru cza- su przejscia impulsów fal ultradzwiekowych wzbudza- nych i odbieranych z tej samej powierzchni badanego przedmiotu, zawierajacy co najmniej cztery glowice roz- stawione wzdluz jednej linii prostej i w znanych odleglo- sciach, z których co najmniej dwie glowice nadawcze skladaja sie z klinów zalam ujacych i przetworników piezoelektrycznych, ustawione sa naprzeciw siebie i generuja fale podpowierzchniowe rozchodzace sie wzdluz tej samej linii, w przeciwnych kierunkach, ku sobie a pozostale co najmniej dwie glowice pelnia role odbiorników i ustawione sa w znanej odleglosci od siebie, w jednej linii z glowicami nadawczymi i miedzy nimi, przy czym uklad glowic sprzegniety jest z bada- nym przedmiotem za pomoca cieczy sprzegajacej wy- pelniajacej szczeliny pomiedzy klinam i zalamujacymi a chropowata powierzchnia badanego przedmiotu, z n a - m i e n n y t y m , ze kazda z glowic odbiorczych (9 , 10 ), sklada sie z klina zalamujacego ( 1 5 , 1 6 ) oraz dwóch przetworników odbiorczych ( 1 1 , 1 2 ; 1 3 , 1 4 ) osadzo- nych na tym klinie (1 5 , 1 6 ) tak, ze linie poprowadzone ze srodków przetworników odbiorczych ( 1 1 , 1 2 ; 1 3 , 14) i prostopadle do nich przecinaja sie we wspólnych pun- ktach (1 7 , 1 8 ) lezacych n a dolnych powierzchniach klinów zalamujacych (1 5 , 1 6 ) a przetworniki (1 1 , 12; 1 3 , 1 4 ) odbieraja fale podpowierzchniowe (7 , 8 ) rozcho- dzace sie w badanym przedmiocie (1 9 ) w przeciwnych kierunkach. PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest układ głowic ultradźwiękowych do pomiarów czasu przejścia impulsów fal ultradźwiękowych, w których mierzony czas nie jest zależny od grubości warstwy cieczy sprzęgającej i tym samym umożliwia prowadzenie dokładnych pomiarów na nieobrobionych, chropowatych powierzchniach przedmiotów. Układ przeznaczony jest do pomiarów impulsów różnego typu fal ultradźwiękowych wzbudzanych i odbieranych z tej samej powierzchni badanego przedmiotu.

W pomiarach czasu przejścia ultradźwiękowych fal podpowierzchniowych i fal powierzchniowych stosowane są znane układy głowic do pomiarów różnicowych. Układ taki składa się z jednej głowicy nadawczej i dwóch identycznych głowic odbiorczych ustawionych razem z głowicą nadawczą w jednej linii. Mierzony jest czas przejścia impulsów między głowicą nadawczą a dalszą głowicą odbiorczą, następnie czas przejścia między głowicą nadawczą i bliższą głowicą odbiorczą. Różnica tak zmierzonego czasu daje w wyniku czas, w którym fala pokonuje w badanym materiale znaną odległość równą odległości pomiędzy środkami głowic odbiorczych. Dzięki metodzie różnicowej eliminowany jest wpływ czasu przejścia impulsów w klinach załamujących głowic odbiorczych jak również wpływ temperatury na zmiany czasu przejścia fal przez te kliny gdyż identyczne kliny głowic odbiorczych przyłożone do powierzchni badanego przedmiotu mają jednakową temperaturę.

Zestaw głowic do różnicowych pomiarów czasu przejścia fal podpowierzchniowych znany jest z opisu polskiego patentu nr 138 042. Znany układ głowic przeznaczony jest do różnicowych pomiarowych czasu przejścia podpowierzchniowych fal podłużnych i podpowierzchniowych fal poprzecznych spolaryzowanych prostopadle do powierzchni badanego elementu. Układ zawiera dwie głowice nadawcze, z których jedna generuje fale podłużne a druga fale poprzeczne. Z każdą z głowic nadawczych związane są dwie głowice odbiorcze odbierające impulsy fal a odległości pomiędzy parami głowic odbiorczych są znane. Przedstawione w powołanym opisie patentowym układy głowic stosowane są do pomiarów naprężeń własnych w elementach stalowych o gładkiej powierzchni.

166 109

W publikacji E. Schneider, R. Herzer, D. Bruche Automatisierte Beslimmung oberflachennaher Spannungszustande in Walzen mittels Ultrasschallvefahren, Mat. Konf. DGZfP, September 1989, Kiel, str. 419-425, przedstawiony jest układ głowic do różnicowych pomiarów czasu przejścia fali podłużnej rozchodzącej się w kierunku tworzącej lub w kierunku obwodowym, w materiale stalowego walca. Składa się on z jednej głowicy nadawczej i dwóch głowic odbiorczych umocowanych w obudowie umożliwiającej sprzęgnięcie zestawu z płaską lub walcową powierzchnią. Fala podłużna generowana przez głowicę nadawczą rozchodzi się w jednym kierunku.

Wadą znanych rozwiązań jest niewyeliminowany wpływ chropowatości powierzchni badanego elementu na mierzony czas przejścia. W przypadku głowic z klinami załamującymi i sprzężeniem cieczowym impuls ultradźwiękowy przechodzący od przetwornika głowicy nadawczej, poprzez klin załamujący tej głowicy, dalej poprzez badany materiał i klin głowicy odbiorczej dwukrotnie pokonuje warstwę cieczy sprzęgającej pomiędzy klinami głowic a powierzchnią przedmiotu. Grubości warstw cieczy sprzęgającej zależą od chropowatości powierzchni przedmiotu w miejscach styku klinów głowic z przedmiotem. Jeżeli grubości warstw cieczy pod klinami głowic odbiorczych są różne to różnice te wpływają na mierzony czas przejścia i wynik pomiaru jest zależny nie tylko od prędkości propagacji fal w przedmiocie ale również od lokalnej wysokości nierówności powierzchni elementu pod głowicami odbiorczymi.

Powyższa wada uniemożliwia prowadzenie pomiarów czasów przejścia na przedmiotach o nieobrobionych powierzchniach jakie najczęściej spotyka się w warunkach przemysłowych.

Układ zgodnie z wynalazkiem charakteryzuje się tym, że każda z głowic odbiorczych składa się z jednego klina załamującego i dwóch przetworników odbiorczych osadzonych na tym klinie. Każdy z przetworników odbiorczych odbiera fale dochodzące do głowicy z przeciwnych kierunków. Kliny są ukształtowane tak, że linie poprowadzone ze środków przetworników odbiorczych i prostopadłe do nich przecinają się we wspólnych punktach leżących na dolnych powierzchniach klinów załamujących. Zestaw głowic sprzęgnięty jest z powierzchnią badanego przedmiotu za pomocą cieczy sprzęgającej wypełniającej szczeliny pomiędzy klinami załamującymi głowic a powierzchnią badanego przedmiotu.

Rozwiązanie przedstawione w wynalazku, dzięki konstrukcji głowic odbiorczych posiadających dwa przetworniki osadzone na wspólnym klinie załamującym tak, że fale docierające do głowicy odbiorczej z dwóch przeciwnych kierunków i dalej poprzez klin do każdego z przetworników, przechodzą po drodze przez tę samą objętość cieczy sprzęgającej niezależnie od kierunku propagacji fali, umożliwia wykonywanie pomiarów, w których mierzone czasy przejścia impulsów fal ultradźwiękowych nie zależą od chropowatości powierzchni przedmiotu badanego a jedynie od prędkości propagacji fal w materiale przedmiotu i odległości między głowicami odbiorczymi. Daje to możliwości dokładnego pomiaru czasu przejścia fali w przedmiocie o nieobrobionej, chropowatości powierzchni.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym pokazano układ głowic ultradźwiękowych do dokładnego pomiaru czasu przejścia impulsów fal podpowierzchniowych.

Układ składa się z czterech głowic, z których dwie spełniają rolę nadajników a pozostałe rolę odbiorników. Wszystkie głowice ustawione są wzdłuż linii prostej. Dwie głowice nadawcze 1 i 2, wyposażone w przetworniki piezoelektryczne 3 i 4, osadzone na klinach załamujących 5 i 6, generują kolejno fale podpowierzchniowe 7 i 8 wzdłuż tej samej linii w przeciwnych kierunkach. Fale odbierane są przez głowice odbiorcze 9 i 10. Każda z głowic odbiorczych 9 i 10 wyposażona jest w jeden klin załamujące 15 i 16 i dwa odbiorcze przetworniki piezoelektryczne 11, 12, 13, 14. Kliny załamujące 15 i 16 głowic odbiorczych 9 i 10 wykonane są z tego samego materiału i mają jednakowe wymiary. Na klinach 15 i 16 osadzone są parami przetworniki odbiorcze 11, 12 i 13, 14. Kąty nachylenia klinów zależą w znany sposób od prędkości propagacji fal w materiale klinów i w badanym przedmiocie oraz od typu fal jaki jest w nim wzbudzany. Geometria każdego z dwóch identycznych klinów 15 i 16 dobrana jest tak, że linie prostopadłe do powierzchni przetworników odbiorczych 11, 12 i 13, 14, poprowadzone ze środków tych przetworników, przecinają się w punktach 17 i 18 leżących na powierzchniach

166 109 klinów załamujących 15 i 16, którymi te kliny stykają się z powierzchnią badanego przedmiotu 19.

Głowice 1,2 i 9, 19 umocowane są we wspólnej obudowie 20 i połączone przewodami 21 ze znanym miernikiem czasu przejścia impulsów fal ultradźwiękowych 22.

Układ głowic sprzęgnięty jest akustycznie z badanym przedmiotem 19 cieczą wypełniającą szczeliny między klinami głowic a powierzchnią przedmiotu. Impulsy fal generowane przez przetwornik 3 głowicy nadawczej 1 przechodzą przez klin załamujący 5 tej głowicy, przez warstwę cieczy sprzęgającej 23, na powierzchni materiału badanego 19 ulegają załamaniu i propagują się w nim jako fala podpowierzchniowa określonego typu 7. Mierzony jest czas przejścia impulsów tych fal od przetwornika 3 do przetwornika odbiorczego 14 głowicy odbiorczej 10, do którego impulsy docierają przez warstwę cieczy sprzęgającej 25 i klin 16. Następnie mierzony jest czas przejścia impulsów tych fal od przetwornika 3 do przetwornika odbiorczego 12 głowicy odbiorczej 9, do którego impulsy docierają przez warstwę cieczy sprzęgającej 24 i klin 15. Mierzone są dalej czasy przejścia impulsów fali 8 rozchodzących się w przeciwnym niż fala 7 kierunku a więc czasy przejścia między przetwornikiem 4 a przetwornikami odbiorczymi 11 i 13. Impulsy te zanim dotrą do przetworników 11 i 13 głowic odbiorczych 9 i 10 przechodzą przez warstwy cieczy sprzęgającej 24 i 25 i kliny załamujące 15 i 16.

Czas przejścia między przetwornikami 3 i 14 wynosi:

t 3,14 = t5 + t23 + tL1 + tL + t25 + t16 gdzie indeks przy literze t oznaczającej czas przejścia, oznacza numer elementu zgodnie z rysunkiem.

Czas przejścia między przetwornikami 3 i 12 wynosi:

t3,12 = t5 + t23 + tL 1 + t24 + t15 między przetwornikami 4 i 11 wynosi:

t4,11 = t6 + t26 + tL2 + tL + t24 + 115 a między przetwornikami 4 i 13 wynosi:

t4,13 = t6 + t26 + tL2 + t25 + t16

Czas przejścia impulsów fal na odcinku L wyznaczonym na powierzchni badanego przedmiotu 19 przez punkty 17 i 18 obliczany jest jako:

tL = t3,l4 - t3,12 + t4.11 - L, 13 ) / 2 i jest niezalnżny oż grubości warstwaieczy sprzęgającęj 24 i 25 pod klinami glowic odbiorczych, tym samym od wysokości nierówności powierzchni przedmiotu badanego 19, a jedynie od prędkości propagacji fal w badanym przedmiocie

166 109

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 1,00 zł.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   Układ głowic ultradźwiękowych do pomiaru czasu przejścia impulsów fal ultradźwiękowych wzbudzanych i odbieranych z tej samej powierzchni badanego przedmiotu, zawierający co najmniej cztery głowice rozstawione wzdłuż jednej linii prostej i w znanych odległościach, z których co najmniej dwie głowice nadawcze składają się z klinów załamujących i przetworników piezoelektrycznych, ustawione są naprzeciw siebie i generują fale podpowierzchniowe rozchodzące się wzdłuż tej samej linii, w przeciwnych kierunkach, ku sobie a pozostałe co najmniej dwie głowice pełnią rolę odbiorników i ustawione są w znanej odległości od siebie, w jednej linii z głowicami nadawczymi i między nimi, przy czym układ głowic sprzęgnięty jest z badanym przedmiotem za pomocą cieczy sprzęgającej wypełniającej szczeliny pomiędzy klinami załamującymi a chropowatą powierzchnią badanego przedmiotu, znamienny tym, że każda z głowic odbiorczych (9, 10), składa się z klina załamującego (15, 16) oraz dwóch przetworników odbiorczych (11, 12; 13, 14) osadzonych na tym klinie (15, 16) tak, że linie poprowadzone ze środków przetworników odbiorczych (11, 12; 13,14) i prostopadle do nich przecinają się we wspólnych punktach (17, 18) leżących na dolnych powierzchniach klinów załamujących (15,16) a przetworniki (11,12; 13,14) odbierają fale podpowierzchniowe (7, 8) rozchodzące się w badanym przedmiocie (19) w przeciwnych kierunkach.

   ★ ie