RU145759U1

RU145759U1 - MULTI-CHANNEL ULTRASONIC CONVERTER

Info

Publication number: RU145759U1
Application number: RU2013149442/28U
Authority: RU
Inventors: Андрей Васильевич Кириков; Владимир Александрович Щербаков
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Компания "Нординкрафт"
Priority date: 2013-11-06
Filing date: 2013-11-06
Publication date: 2014-09-27

Abstract

1. Многоканальный ультразвуковой преобразователь, содержащий корпус, как минимум одну акустическую призму и приемоизлучающие пьезоэлектрические элементы, отличающийся тем, что внутри призмы, в пространстве между пьезоэлектрическими элементами и поверхностью призмы, примыкающей к объекту контроля, дополнительно размещен или сформирован по крайней мере один отражатель ультразвуковых импульсов, причем расстояние R между пьезоэлектрическими элементами и отражателем выбирается из условия R>C·То/2, где C - скорость упругой волны в материале призмы, То - длительность переходных процессов в электронно-акустическом тракте после воздействия зондирующего импульса.2. Многоканальный ультразвуковой преобразователь по п.1, отличающийся тем, что отражатель/отражатели выполнен(ы) в виде, например, цилиндра/цилиндров, ось которого/которых перпендикулярна акустической оси пьезоэлектрических элементов.3. Многоканальный ультразвуковой преобразователь по п.1, отличающийся тем, что акустическая призма может быть выполнена, например, из жидкости, отделенной от объекта контроля звуко-прозрачной мембраной.4. Многоканальный ультразвуковой преобразователь по п.1, отличающийся тем, что в призму внедрены проволочные отражатели (иглы), позволяющие отразить некоторую небольшую часть излученной в призму энергии в направлении пьезоэлектрических элементов, и сформировать дополнительные опорные сигналы, по амплитуде которых можно судить об исправности и/или идентичности каналов электронно-акустического тракта.5. Многоканальный ультразвуковой преобразователь по п.3, отличающийся тем, что отражатель/отражатели могут быть выполнены, н1. A multichannel ultrasonic transducer comprising a housing, at least one acoustic prism and receiving-emitting piezoelectric elements, characterized in that at least one ultrasonic reflector is additionally placed or formed inside the prism, in the space between the piezoelectric elements and the surface of the prism adjacent to the monitoring object pulses, and the distance R between the piezoelectric elements and the reflector is selected from the condition R> C · To / 2, where C is the speed of the elastic wave in the material prisms, T0 is the duration of transients in the electron-acoustic tract after exposure to a probe pulse. 2. The multichannel ultrasonic transducer according to claim 1, characterized in that the reflector (s) are made (s) in the form of, for example, a cylinder (s) whose axis / s is perpendicular to the acoustic axis of the piezoelectric elements. A multichannel ultrasonic transducer according to claim 1, characterized in that the acoustic prism can be made, for example, from a liquid separated from the object of control by a sound-transparent membrane. The multichannel ultrasonic transducer according to claim 1, characterized in that wire reflectors (needles) are introduced into the prism, which allow reflecting some small part of the energy radiated into the prism in the direction of the piezoelectric elements, and generate additional reference signals, the amplitude of which can be used to determine the health and / or the identity of the channels of the electro-acoustic tract. 5. The multichannel ultrasonic transducer according to claim 3, characterized in that the reflector / reflectors can be made, n

Description

Полезная модель относится к области ультразвукового контроля и может быть использована для автоматизированного или автоматического ультразвукового контроля труб, листового и сортового проката.The utility model relates to the field of ultrasonic testing and can be used for automated or automatic ultrasonic testing of pipes, sheet and long products.

Известен ультразвуковой преобразователь, так называемый, «раздельно-совмещенный преобразователь» (PC), содержащий в одном корпусе две призмы, разделенные экраном, и с наклеенными на призмы активными элементами. На одну из призм обычно наклеивают только излучающие элементы (один или более), на другую - только приемные (один или более) [1].A known ultrasonic transducer, the so-called "separate-combined transducer" (PC), containing in one housing two prisms, separated by a screen, and with active elements glued to the prisms. Usually, only radiating elements (one or more) are usually glued to one prism, and only receiving ones (one or more) to the other [1].

Такая конструкция, а именно, наличие двух призм, разделенных электромагнитным и/или акустическим экраном, позволяет максимальным образом избавиться от так называемых реверберационных шумов, характерных для совмещенного преобразователя, и минимизировать «мертвую зону» вдоль направления излучения/приема. Как правило, такие преобразователи возбуждают и принимают ультразвук по направлению нормали к поверхности объекта контроля, и используются в основном для обнаружения дефектов, а так же при толщинометрии стенок труб, листов, а так же изделий, имеющих приблизительно параллельные друг другу поверхности. Эти поверхности отражают упругие волны в направлении излучения, которые регистрируются приемными элементами преобразователя, формируя информационные сигналы, по которым определяют исправность акустических и электронных каналов, наличие или отсутствие дефектов, толщину стенки, а так же состояние акустического контакта преобразователя с поверхностью объекта контроля.This design, namely, the presence of two prisms separated by an electromagnetic and / or acoustic screen, allows you to get rid of the so-called reverberation noises characteristic of a combined transducer and minimize the "dead zone" along the direction of radiation / reception. As a rule, such transducers excite and receive ultrasound in the direction normal to the surface of the test object, and are used mainly for detecting defects, as well as for thickness measurement of the walls of pipes, sheets, as well as products having approximately parallel to each other surfaces. These surfaces reflect elastic waves in the direction of radiation, which are recorded by the receiving elements of the transducer, forming information signals that determine the operability of acoustic and electronic channels, the presence or absence of defects, wall thickness, and the state of acoustic contact of the transducer with the surface of the control object.

Недостатком такого преобразователя является невозможность его использования для обнаружения дефектов, в общем случае непараллельных поверхности ввода ультразвука.The disadvantage of this transducer is the inability to use it to detect defects, in the general case of non-parallel ultrasound input surfaces.

Известен ультразвуковой преобразователь, так называемый, «наклонный призматический преобразователь» (НП), содержащий корпус и находящуюся в нем призму с наклеенными на нее одним или несколькими активными приемо-излучающими элементами, возбуждающий и принимающий упругие колебания, как правило, под некоторым углом к поверхности объекта контроля. Такие преобразователи широко применяются в промышленности, например, при контроле труб, стенок сосудов, котлов, сварных соединений. Недостатком такого преобразователя является то, что в большинстве практических случаев конструкция такого преобразователя не обеспечивает наличие «опорных» сигналов, а значит, возникает сложность в определении исправности преобразователя и состоянии его акустического контакта с изделием [2, 3].A known ultrasonic transducer, the so-called "inclined prismatic transducer" (NP), comprising a housing and a prism located in it with one or more active receiving-emitting elements glued on it, exciting and receiving elastic vibrations, as a rule, at some angle to the surface object of control. Such converters are widely used in industry, for example, in the control of pipes, vessel walls, boilers, and welded joints. The disadvantage of such a transducer is that in most practical cases the design of such a transducer does not provide the presence of “reference” signals, which means that there is a difficulty in determining the operability of the transducer and the state of its acoustic contact with the product [2, 3].

Особенно неприятной является ситуация, когда диагностика качества и целостности изделий осуществляется с помощью многоканальных систем автоматического ультразвукового контроля. Достоверность и техническая корректность контроля при отсутствии надежной информации о качестве акустического контакта, часто вызывает возражения со стороны инспектирующих организаций.Especially unpleasant is the situation when the diagnosis of the quality and integrity of products is carried out using multichannel systems of automatic ultrasonic testing. The reliability and technical correctness of the control in the absence of reliable information about the quality of the acoustic contact often causes objections from the inspecting organizations.

Известен ультразвуковой преобразователь, призма которого содержит по крайней мере одну дополнительную пьезо-пластину для излучения в металл продольных волн приблизительно в том же месте, где вводится основная поперечная волна. Эта дополнительная пластина предназначена для оценки акустического контакта призмы с объектом контроля, имеющего, параллельные или квази-параллельные участки поверхности, позволяющие сформировать с помощью продольных волн опорные сигналы. К таким объектам контроля могут быть отнесены трубы, конструкции из листового или сортового проката [4].An ultrasonic transducer is known, the prism of which contains at least one additional piezoelectric plate for emitting longitudinal waves into the metal at approximately the same place where the main transverse wave is introduced. This additional plate is designed to evaluate the acoustic contact of the prism with the control object having parallel or quasi-parallel surface sections that allow the formation of reference signals using longitudinal waves. Such objects of control may include pipes, structures from sheet or long products [4].

К недостаткам такого технического решения относится невозможность его применения для оценки исправности и идентичности основных каналов электронно-акустического тракта.The disadvantages of this technical solution include the impossibility of its application to assess the health and identity of the main channels of the electronic acoustic path.

Известен ультразвуковой преобразователь, принятый нами за прототип, содержащий корпус, электрический кабель с разъемом, призму, выполненную, например, из органического стекла, смонтированный на ней набор акустически изолированных друг от друга пьезоэлектрических элементов, в котором набор пьезоэлектрических элементов сформирован на цельной пластине из пьезоэлектрического материала с низким значением взаимной акустической связи между соседними областями в направлении плоскости пластины, причем пластина имеет металлическое покрытие на обеих ее сторонах, а металлическое покрытие на одной из сторон пластины представляет собой, как правило, единственный, электрически цельный элемент, выполняющий функцию общего электрода, а металлическое покрытие на другой стороне пластины образует параллельные, электрически изолированные друг от друга элементы, длина которых приблизительно равна размеру пластины в месте расположения элемента, а ширина удовлетворяет условию: 10 мм≥H≥0,2 мм, причем количество элементов N, сформированных на пластине удовлетворяет условию: N=2……64. [5].A known ultrasonic transducer, which we have adopted as a prototype, comprising a housing, an electric cable with a connector, a prism made, for example, of organic glass, mounted on it a set of piezoelectric elements acoustically isolated from each other, in which a set of piezoelectric elements is formed on a solid piezoelectric plate material with a low value of mutual acoustic coupling between adjacent areas in the direction of the plane of the plate, and the plate has a metal coating on both sides of it, and the metal coating on one side of the plate is, as a rule, the only electrically integral element that acts as a common electrode, and the metal coating on the other side of the plate forms parallel, electrically isolated from each other elements whose length is approximately equal to the size of the plate at the location of the element, and the width satisfies the condition: 10 mm≥H≥0.2 mm, and the number of elements N formed on the plate satisfies the condition: N = 2 ....... 64. [5].

В известной полезной модели достигается усовершенствование конструкции преобразователя для повышения его эффективности и получения высоких направленных свойств за счет согласования формы ультразвуковой решетки преобразователя с геометрической формой призмы.In the known utility model, an improvement in the design of the transducer is achieved to increase its efficiency and obtain high directional properties by matching the shape of the ultrasonic array of the transducer with the geometric shape of the prism.

В известной полезной модели достигается повышение качества и достоверности автоматизированного ультразвукового контроля, снижение влияния «человеческого фактора», упрощение конфигурации, сокращение времени на настройку системы.In the known utility model, improving the quality and reliability of automated ultrasonic testing, reducing the influence of the "human factor", simplifying the configuration, reducing the time to configure the system is achieved.

Однако, известный преобразователь не в состоянии с достаточной степенью надежности обнаруживать разнообразно ориентированные несплошности, поскольку количество эффективных направлений возбуждения и приема ультразвука в нем ограничено.However, the known transducer is not able to detect variously oriented discontinuities with a sufficient degree of reliability, since the number of effective directions of excitation and reception of ultrasound in it is limited.

Целью настоящего изобретения - полезной модели является создание многоканального преобразователя, не только обладающего всеми характеристиками и положительными свойствами прототипа, но и позволяющего осуществлять проверку исправности и идентичности всех каналов электронно-акустического тракта.The aim of the present invention is a utility model is the creation of a multi-channel Converter, not only having all the characteristics and positive properties of the prototype, but also allowing you to check the health and identity of all channels of the electronic acoustic path.

Указанная цель достигается тем, что в многоканальном ультразвуковом преобразователе, содержащем корпус, как минимум одну акустическую призму, и приемоизлучающие пьезоэлектрические элементы, внутри призмы, в пространстве между пьезоэлектрическими элементами и поверхностью призмы, примыкающей к объекту контроля, дополнительно размещен или сформирован, по крайней мере, один отражатель ультразвуковых импульсов, причем расстояние R между пьезоэлектрическими элементами и отражателем выбирается из условия R>C∗To/2, где C - скорость упругой волны в материале призмы, То - длительность переходных процессов в электронно-акустическом тракте после воздействия зондирующего импульса.This goal is achieved by the fact that in a multichannel ultrasonic transducer containing a housing of at least one acoustic prism and receiving-emitting piezoelectric elements, inside the prism, in the space between the piezoelectric elements and the surface of the prism adjacent to the control object, at least additionally placed or formed , one reflector of ultrasonic pulses, and the distance R between the piezoelectric elements and the reflector is selected from the condition R> C ∗ To / 2, where C is the elastic us in the prism material, To - the duration of transients in the electron-acoustic path after exposure to the probe pulse.

Цель достигается и тем, что отражатель/отражатели выполнен(ы) в виде цилиндра/цилиндров, ось которого/которых перпендикулярна акустической оси пьезоэлектрических элементов.The goal is achieved by the fact that the reflector (s) are made (s) in the form of a cylinder (s) whose axis / s is perpendicular to the acoustic axis of the piezoelectric elements.

Достижению цели способствует так же то, что акустическая призма выполнена, например, из жидкости, отделенной от объекта контроля звуко-прозрачной мембраной, а отражатель/отражатели выполнены в виде, например, игл, из материала, акустический импеданс которого существенно отличается от импеданса жидкости, образующей призму. К таким материалам относится, например, стальная или медная проволока.Achieving the goal is also facilitated by the fact that the acoustic prism is made, for example, of a liquid separated from the test object by a sound-transparent membrane, and the reflector / reflectors are made in the form, for example, of needles, of a material whose acoustic impedance differs significantly from the liquid impedance, prism forming. Such materials include, for example, steel or copper wire.

Полезный результат: ультразвуковой преобразователь, будучи подключенным к соответствующей генераторной/приемной электронной аппаратуре, позволяет в любой момент времени проверить исправность и идентичность любых каналов электронно-акустического тракта. Тем самым повышается надежность ультразвукового контроля, улучшается воспроизводимость его результатов.Useful result: the ultrasonic transducer, being connected to the corresponding generator / receiver electronic equipment, allows at any time to check the serviceability and identity of any channels of the electron-acoustic path. This increases the reliability of ultrasonic testing, improves the reproducibility of its results.

РисункиDrawings

Фиг.1, фиг.2 Возможный вариант преобразователя- полезной модели. В призмы внедрены проволочные отражатели (иглы), позволяющие отразить некоторую небольшую часть излученной в призму энергии в направлении пьезоэлектрических элементов, и сформировать дополнительные опорные сигналы, по амплитуде которых можно судить об исправности и/или идентичности каналов электронно-акустического тракта. Возможный вариант преобразователя - полезной модели. Отражатели выполнены в виде цилиндрических сверлений, материал заполнения которых существенно отличается по своему импедансу от материала призмы. В простейшем случае таким материалом может стать газ или воздух.Figure 1, figure 2 A possible variant of the Converter utility model. Wire reflectors (needles) are introduced into the prisms, which allow reflecting some small part of the energy radiated into the prism in the direction of the piezoelectric elements and generate additional reference signals, the amplitude of which can be used to judge the health and / or identity of the channels of the electro-acoustic path. A possible variant of the converter is a utility model. Reflectors are made in the form of cylindrical drills, the filling material of which differs significantly in its impedance from the material of the prism. In the simplest case, such material may be gas or air.

Фиг 3, фиг.4. Возможный вариант преобразователя - полезной модели. Призма выполнена из жидкости или геля. Отражатели выполнены в виде струн из материала, акустический импеданс которого существенно отличается от импеданса призмы.Fig 3, Fig 4. A possible variant of the converter is a utility model. Prism is made of liquid or gel. Reflectors are made in the form of strings from a material whose acoustic impedance differs significantly from the impedance of a prism.

Описание вариантов конструкции преобразователя.Description of transmitter design options.

Многоканальный ультразвуковой преобразователь содержит корпус 1, как минимум одну акустическую призму 2, и приемоизлучающие пьезоэлектрические элементы 3. Внутри призмы 2, в пространстве между пьезоэлектрическими элементами 3 и поверхностью П призмы 2, примыкающей к объекту контроля, дополнительно размещен или сформирован по крайней мере один отражатель 4 ультразвуковых импульсов, причем расстояние R между пьезоэлектрическими элементами и отражателем выбирается из условия R>C∗To/2, где C - скорость упругой волны в материале призмы, То - длительность переходных процессов в электронно-акустическом тракте после воздействия зондирующего импульса.The multichannel ultrasonic transducer comprises a housing 1, at least one acoustic prism 2, and transceiving piezoelectric elements 3. Inside the prism 2, at least one reflector is additionally placed or formed in the space between the piezoelectric elements 3 and the surface P of the prism 2 adjacent to the control object 4 ultrasonic pulses, and the distance R between the piezoelectric elements and the reflector is selected from the condition R> C ∗ To / 2, where C is the speed of the elastic wave in the prism material, To is the length the completeness of transient processes in the electron-acoustic tract after exposure to a probe pulse.

Отражатель/отражатели 4 выполнен(ы), может (могут быть) в виде цилиндрических сверлений - пустот (условно не показаны) 5, ось которого/которых перпендикулярна акустической оси пьезоэлектрических элементов 3.The reflector / reflectors 4 is made (s), can (can be) in the form of cylindrical drilling - voids (not shown conventionally) 5, whose axis / which is perpendicular to the acoustic axis of the piezoelectric elements 3.

Акустическая призма 2 может быть выполнена, например, из жидкости, отделенной от объекта контроля звуко-прозрачной мембраной 6.Acoustic prism 2 can be performed, for example, from a liquid separated from the test object by a sound-transparent membrane 6.

Отражатель/отражатели 4 могут быть выполнены, например, в виде цилиндров (игл) 7, из материала, акустический импеданс которого существенно отличается от импеданса жидкости, образующей призму.The reflector / reflectors 4 can be made, for example, in the form of cylinders (needles) 7, from a material whose acoustic impedance is significantly different from the impedance of the liquid forming the prism.

Отражатель/отражатели 4 могут быть выполнены, например, в виде струн 8, из материала, акустический импеданс которого существенно отличается от импеданса жидкости, образующей призму.The reflector / reflectors 4 can be made, for example, in the form of strings 8, from a material whose acoustic impedance is significantly different from the impedance of the liquid forming the prism.

Для установки игл 7 предусмотрены кронштейны 8. Для установки струн 9 предусмотрены кронштейны 10.Brackets 8 are provided for installing needles 7. Brackets 10 are provided for installing strings 9.

Источники информацииInformation sources

1. А.С. СССР №15343881. A.S. USSR No. 1534388

2. А.С. СССР №6038962. A.S. USSR No. 603896

3. Патент США №2,667,7803. US Patent No. 2,667,780

4. А.С. СССР №4155724. A.S. USSR №415572

5. Патент РФ №1135855. RF patent No. 113585

Claims

1. A multichannel ultrasonic transducer comprising a housing, at least one acoustic prism and receiving-emitting piezoelectric elements, characterized in that at least one ultrasonic reflector is additionally placed or formed inside the prism, in the space between the piezoelectric elements and the surface of the prism adjacent to the monitoring object pulses, and the distance R between the piezoelectric elements and the reflector is selected from the condition R> C · To / 2, where C is the speed of the elastic wave in the material prisms, T0 is the duration of transients in the electron-acoustic tract after exposure to a probe pulse.

2. The multichannel ultrasonic transducer according to claim 1, characterized in that the reflector (s) are made (s) in the form of, for example, a cylinder (s) whose axis / s is perpendicular to the acoustic axis of the piezoelectric elements.

3. The multichannel ultrasonic transducer according to claim 1, characterized in that the acoustic prism can be made, for example, from a liquid separated from the control object by a sound-transparent membrane.

4. The multichannel ultrasonic transducer according to claim 1, characterized in that wire reflectors (needles) are introduced into the prism, which allow reflecting some small part of the energy radiated into the prism in the direction of the piezoelectric elements, and generate additional reference signals, the amplitude of which can be used to determine the health and / or the identity of the channels of the electro-acoustic path.

5. The multichannel ultrasonic transducer according to claim 3, characterized in that the reflector / reflectors can be made, for example, in the form of strings, from a material whose acoustic impedance differs significantly from the impedance of the liquid forming the prism.