RU172818U1

RU172818U1 - DEVICE FOR AUTOMATED ULTRASONIC CONTROL OF SHEET RENT AND PIPES USING SEPARATELY COMBINED ULTRASONIC CONVERTERS

Info

Publication number: RU172818U1
Application number: RU2017110566U
Authority: RU
Inventors: Андрей Васильевич Кириков; Павел Викторович Пашков
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Нординкрафт Санкт-Петербург"
Priority date: 2017-03-29
Filing date: 2017-03-29
Publication date: 2017-07-25

Abstract

Использование: для автоматизированного ультразвукового контроля листового проката и труб. Сущность полезной модели заключается в том, что устройство для автоматизированного ультразвукового контроля листового проката и труб включает комплект генераторов зондирующих импульсов (ГЗИ), управляемых независимо с помощью синхронизирующего устройства (СУ), комплект приемных устройств (ПУ) и как минимум одну группу раздельно-совмещенных ультразвуковых преобразователей (УП), размещенных в одном корпусе либо в разных корпусах, причем генераторные пьезоэлементы (ГП) всех УП соединены с соответствующими им генераторами зондирующих импульсов (ГЗИ), управляемых независимо с помощью синхронизирующего устройства, а приемные пьезоэлементы (ПП) соединены с соответствующими им приемными устройствами, причем в пределах одного ультразвукового преобразователя все ГП и оппозитные им ПП расположены на разных акустических призмах, разделенных между собой акустическим экраном (АЭ), в которой вся совокупность УП, входящая в состав устройства, разбита на группы из двух и более УП, причем ГП, находящиеся внутри каждого УП, физически разделены на как минимум две электрически и акустически независимые зоны, параллельные друг другу и АЭ и расположенные на разном удалении от АЭ, причем зоны с одинаковыми номерами, находящиеся в разных УП, но на равном расстоянии от АЭ образуют группы, соединенные электрически между собой, причем каждая такая группа соединена с общим соответствующим ей ГЗИ. Технический результат: повышение диапазона толщин листового проката и стенок труб, который может быть эффективно проконтролирован при сохранении умеренного объема электроники. 9 ил.Usage: for automated ultrasonic testing of sheet metal and pipes. The essence of the utility model lies in the fact that the device for automated ultrasonic testing of sheet metal and pipes includes a set of probing pulse generators (GZI), controlled independently by means of a synchronizing device (SU), a set of receiving devices (PU) and at least one group of separately combined ultrasonic transducers (UE) located in one housing or in different buildings, and the piezoelectric generator (GP) of all UE connected to their respective generators probing impu of flies (GZI), controlled independently by means of a synchronizing device, and receiving piezoelectric elements (PP) are connected to their respective receiving devices, and within one ultrasonic transducer all GPs and their opposite PPs are located on different acoustic prisms separated by an acoustic screen (AE ), in which the entire set of UE, which is part of the device, is divided into groups of two or more UE, and the GP located inside each UE are physically divided into at least two electrically and acoustically independent zones parallel to each other and the AE and located at different distances from the AE, and zones with the same numbers located in different UE, but at an equal distance from the AE form groups connected electrically to each other, and each such group is connected to a common corresponding her gzi. Effect: increasing the thickness range of sheet metal and pipe walls, which can be effectively controlled while maintaining a moderate volume of electronics. 9 ill.

Description

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

Широко известны устройства, акустическая система (АС) которых состоит из линеек (групп) раздельно-совмещенных ультразвуковых преобразователей (УП) [1-6].Widely known are devices whose acoustic system (AS) consists of rulers (groups) of separately combined ultrasonic transducers (UP) [1-6].

Фотографии таких преобразователей и их устройство приведены на фиг. 1, 2 и. 3.Photographs of such converters and their device are shown in FIG. 1, 2 and. 3.

Каждый УП (см. фиг. 2 и 3) содержит корпус 1 и две размещенные в нем призмы 2, разделенные между собой акустическим экраном (АЭ) 3.Each unitary enterprise (see Fig. 2 and 3) contains a housing 1 and two prisms 2 located in it, separated by an acoustic screen (AE) 3.

На одну из призм наклеены генераторные элементы 4 (чаще всего один достаточно длинный элемент), а на другую - один или несколько приемных элементов 5, размещенных вдоль АЭ.Generator elements 4 (most often one fairly long element) are glued to one of the prisms, and one or more receiving elements 5 located along the AE are placed on the other.

Эти преобразователи соединены электрически с соответствующими им ГЗИ и ПУ. Схема электрических соединений в группе из восьми таких УП приведена на фиг. 4.These converters are electrically connected to their associated GZI and PU. The electrical connection diagram for a group of eight such units is shown in FIG. four.

Достоинствами таких установок являются их простота, сравнительно высокая эффективность, особенно уверенно проявляющаяся при контроле материалов небольшой толщины, и сравнительно невысокая стоимость. Группы или линейки простых раздельно-совмещенных УП - это одна из основных схем АС, применяющихся на сегодняшний день при контроле листового проката. Даже при сравнительно большой ширине проката и соответственно при большом числе УП количество электронных каналов является весьма разумным. Например, если акустическая система (АС) построена на УП с одним ГП и тремя ПП и содержит 100 таких УП, то устройство в целом будет содержать 100 ГЗИ и 300 ПУ.The advantages of such plants are their simplicity, relatively high efficiency, which is especially confident when controlling materials of small thickness, and relatively low cost. Groups or lines of simple separately combined UEs are one of the main speaker systems that are used today in the control of sheet metal. Even with a relatively large rolling width and, accordingly, with a large number of UEs, the number of electronic channels is very reasonable. For example, if an acoustic system (AS) is built on a unitary enterprise with one GP and three PPs and contains 100 such PSs, then the device as a whole will contain 100 GSI and 300 PUs.

Недостатком такой системы является сравнительно небольшой диапазон расстояний от УП, на которых ультразвуковой контроль является эффективным. Отсюда следуют сравнительно небольшие (до 40 - 50 мм) максимальные толщины листового проката, которые могут быть успешно проконтролированы. На фиг. 5 - 7 изображены схемы распределения диаграмм направленности ГП (1) и ПП (2). Очевидно, что дефект может быть обнаружен только в зоне, где диаграммы направленности ГП и ПП пересекаются (6). Если элементы ГП и ПП образуют общую зону вблизи поверхности ввода, то обнаружение дефектов у противоположной поверхности будет весьма затруднительным (см. фиг. 6). Если «сфокусировать» ГП и ПП в средней зоне листа (см. фиг. 7), то затруднительным становится выявление дефектов у поверхностей листа. Таким образом, диапазон толщины листового проката, который может быть эффективно проконтролирован известной системой ультразвукового контроля весьма ограничен.The disadvantage of this system is the relatively small range of distances from the UE, at which ultrasonic monitoring is effective. This results in relatively small (up to 40 - 50 mm) maximum thicknesses of sheet metal, which can be successfully controlled. In FIG. 5 - 7 show the distribution patterns of the radiation patterns of GP (1) and PP (2). Obviously, the defect can only be detected in the area where the radiation patterns of the GP and the PP intersect (6). If the GP and PP elements form a common zone near the input surface, then the detection of defects at the opposite surface will be very difficult (see Fig. 6). If you "focus" GP and PP in the middle zone of the sheet (see Fig. 7), then it becomes difficult to identify defects on the surfaces of the sheet. Thus, the range of thicknesses of sheet metal, which can be effectively controlled by the known ultrasonic inspection system, is very limited.

Широко известны ультразвуковые преобразователи - фазированные решетки [1-4]. Они содержат большое количество приемоизлучающих элементов и позволяют электронным образом изменять направление излучения и приема. Недостатком таких преобразователей является большой объем связанной с ними электроники и соответственно ее высокая стоимость, особенно применительно к массовому, высокопроизводительному ультразвуковому контролю проката и труб.Widely known are ultrasonic transducers - phased arrays [1-4]. They contain a large number of receiving-emitting elements and allow you to electronically change the direction of radiation and reception. The disadvantage of such transducers is the large amount of electronics associated with them and, accordingly, its high cost, especially in relation to mass, high-performance ultrasonic testing of rolled products and pipes.

Целью настоящей полезной модели является повышение диапазона толщин листового проката и стенок труб, который может быть эффективно проконтролирован, при сохранении разумной стоимости дефектоскопического оборудования.The purpose of this utility model is to increase the range of thicknesses of sheet metal and pipe walls, which can be effectively controlled, while maintaining a reasonable cost of flaw detection equipment.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве для автоматизированного ультразвукового контроля листового проката и труб, включающем комплект генераторов зондирующих импульсов (ГЗИ), управляемых независимо с помощью синхронизирующего устройства, комплект приемных устройств (ПУ) и как минимум одну группу раздельно-совмещенных ультразвуковых преобразователей (УП), размещенных в одном корпусе, либо в разных корпусах, причем генераторные пьезоэлементы (ГП) всех УП соединены с соответствующими им генераторами зондирующих импульсов (ГЗИ), управляемых независимо с помощью синхронизирующего устройства, а приемные пьезоэлементы (ПП) соединены с соответствующими им приемными устройствами (ПУ), причем в пределах одного ультразвукового преобразователя все ГП и оппозитные им ПП наклеены на разные акустические призмы, разделенные между собой акустическим экраном (АЭ), вся совокупность УП, входящая в состав устройства, разбита на группы из двух и более УП, причем ГП, находящиеся внутри каждого УП, физически разделены на как минимум две электрически и акустически независимые зоны, параллельные друг другу и АЭ, и расположенные на разном удалении от АЭ, причем зоны с одинаковыми номерами, находящиеся в разных УП, но на равном расстоянии от АЭ, образуют группы, соединенные электрически между собой, причем каждая группа соединена с общим соответствующим ей ГЗИ.This goal is achieved by the fact that in a device for automated ultrasonic testing of sheet metal and pipes, including a set of probing pulse generators (GZI), controlled independently using a synchronizing device, a set of receiving devices (PU) and at least one group of separately combined ultrasonic transducers ( UP), located in one housing, or in different buildings, and the generator piezoelectric elements (GP) of all UP connected to their respective probing pulse generators (GZI), controlled independently by means of a synchronizing device, and receiving piezoelectric elements (PP) are connected to their corresponding receiving devices (PU), and within one ultrasonic transducer all GPs and their opposite PPs are glued to different acoustic prisms separated by an acoustic screen (AE), the entire set of UEs that are part of the device is divided into groups of two or more UEs, and the GPs located inside each UE are physically divided into at least two electrically and acoustically independent zones, arallelnye each other and AE and located at different distances from the AE, the zone with the same numbers that are in different UE, but equidistant from the AE form groups connected electrically to each other, each group is connected to common its corresponding SPG.

Пример схемы электрических соединений в группе из восьми таких УП приведен на фиг. 8.An example of a wiring diagram in a group of eight such units is shown in FIG. 8.

Принятые обозначения:Accepted designations:

АС - акустическая система,AC - speaker system

УП - разделительно-совмещенные ультразвуковые преобразователи (УП1…УП8),UP - separation-combined ultrasonic transducers (UP1 ... UP8),

АЭ - акустический экран (АЭ1…АЭ8),AE - acoustic screen (AE1 ... AE8),

ГЗИ - генератор зондирующих импульсов (ГЗИ1…ГЗИ8),GZI - probe pulse generator (GZI1 ... GZI8),

ПУ - приемное устройство,PU - receiving device,

З - зона действия одного УП (З1…З8),Z - the range of one UP (Z1 ... Z8),

ГП - генераторный пьезоэлемент,GP - generator piezoelectric element,

ПП - приемный пьезоэлемент,PP - receiving piezoelectric element,

поз. 6 - диаграмма направленности ГП,pos. 6 is a radiation pattern of the GP,

поз. 7 - диаграмма направленности ПП,pos. 7 - radiation pattern PP,

поз. 8 - зона пересечения диаграмм направленности ГП и ПП,pos. 8 - zone of intersection of radiation patterns of GP and PP,

поз. 9 - широкая диаграмма направленности,pos. 9 is a wide radiation pattern,

поз. 10-12 - различные зоны пересечения диаграмм направленности синхронизирующего устройства (СУ) - условно не показаны.pos. 10-12 - various zones of intersection of the radiation patterns of the synchronizing device (SU) - conventionally not shown.

Основным элементом схемы являются ультразвуковые преобразователи УП 1 - УП8, ГП которых образуют восемь зон З1-З8, параллельных соответствующему акустическому экрану (АЭ1-АЭ8). Все одноименные зоны З1-З8 электрически соединены между собой и с соответствующим генератором (ГЗИ1-ГЗИ8). Генераторы ГЗИ1-ГЗИ8 управляются общим устройством синхронизации УС и имеют точно такую же или примерно такую же нагрузочную способность, как у генераторов известной системы (см. фиг. 3). Объем дефектоскопической электроники (количество генераторов и приемников), а стало быть его стоимость по сравнению с известной системой не возросли. Некоторое усложнение конструкции УП и кабеля, соединяющего УП с дефектоскопической электроникой, является не принципиальным с точки зрения их влияния на стоимость устройства в целом.The main element of the circuit is the ultrasonic transducers UP 1 - UP8, the GP of which form eight zones Z1-Z8 parallel to the corresponding acoustic screen (AE1-AE8). All zones of the same name Z1-Z8 are electrically connected to each other and to the corresponding generator (GZI1-GZI8). Generators GZI1-GZI8 are controlled by a common US synchronization device and have exactly the same or approximately the same load capacity as the generators of the known system (see Fig. 3). The volume of flaw detector electronics (the number of generators and receivers), and therefore its cost in comparison with the known system, did not increase. Some complication of the design of the control unit and the cable connecting the control unit with the flaw detector electronics is not fundamental from the point of view of their influence on the cost of the device as a whole.

Однако данная система имеет огромное преимущество по сравнению с известной [5, 6]. Устройство позволяет путем применения известных алгоритмов управлять генераторами, добиваясь нужного распределения возбуждаемого в изделии поля упругих колебаний.However, this system has a huge advantage compared to the known [5, 6]. The device allows using known algorithms to control the generators, achieving the desired distribution of the field of elastic vibrations excited in the product.

Наиболее естественным способом расширения диапазона допустимой дальности до дефекта является электронное управление направлением излучения и/или фокусным расстоянием - одновременно во всех УП, принадлежащих группе, осуществляемого по известной технологии управления фазированными решетками. Изменение угла излучения α возможно в пределах широко известного из теории фазированных решеток условия:The most natural way to expand the range of acceptable range to the defect is electronic control of the direction of radiation and / or focal length - at the same time in all UEs belonging to the group, carried out according to the known technology for controlling phased arrays. A change in the angle of radiation α is possible within the limits of the condition widely known from the theory of phased arrays:

где b - ширина наиболее широкого из элементов З1-З8. Если принять, что эти элементы З1-З8 имеют одинаковую ширину, то b - ширина зон З.where b is the width of the widest of the elements Z1-Z8. If we assume that these elements Z1-Z8 have the same width, then b is the width of the zones Z.

Другим способом изменения возбуждаемого в объекте контроля поля является перемещение активной зоны вдоль апертуры. Например, если возбуждать зоны З1-З8 по закону: З1+З2; З2+З3; З3+З4…З7+З8, как показано на фиг. 9, то ультразвуковой пучок будет смещаться.Another way to change the field excited in the control object is to move the active zone along the aperture. For example, if zones Z1-Z8 are excited according to the law: Z1 + Z2; Z2 + Z3; Z3 + Z4 ... Z7 + Z8, as shown in FIG. 9, then the ultrasonic beam will be displaced.

На фиг. 9 изображены схемы распределения диаграмм направленности ГП (6, 7, 8) при различном направлении излучения, широкая диаграмма направленности ПП (9), а также различные зоны пересечения диаграмм направленности (10, 11, 12). Для более эффективного изменения положения зон целесообразно придать поверхности призмы, где размещены излучающие пьезоэлементы, цилиндрическую форму.In FIG. Figure 9 shows the distribution patterns of the radiation patterns of the GP (6, 7, 8) for different radiation directions, a wide radiation pattern of the PP (9), and also different zones of intersection of the radiation patterns (10, 11, 12). For a more effective change in the position of the zones, it is advisable to give the surface of the prism, where the emitting piezoelectric elements are placed, a cylindrical shape.

В данном примере в качестве приемных элементов для расширения их диаграммы направленности использованы пьезоэлементы, имеющие цилиндрическую форму. Они наклеены на цилиндрическую поверхность призмы.In this example, piezoelectric elements having a cylindrical shape are used as receiving elements to expand their radiation pattern. They are glued to the cylindrical surface of the prism.

Однако форма приемных элементов может быть плоской. При этом следует учесть, что их диаграмма направленности должна быть достаточно широкой, чтобы обеспечить прием сигналов с любого расстояния, задаваемого максимальной толщиной листа. Для этого при выборе ширины плоского приемного элемента следует также руководствоваться формулой (1). Впрочем, расширить диаграмму направленности приемного элемента можно, как указано в приведенном выше примере, путем придания ему и призме цилиндрической формы. Можно использовать два или более приемных элементов и управлять ими по аналогии с описанными выше принципами управления излучающими элементами З1-З8.However, the shape of the receiving elements may be flat. It should be borne in mind that their radiation pattern must be wide enough to ensure the reception of signals from any distance specified by the maximum sheet thickness. To do this, when choosing the width of the flat receiving element should also be guided by the formula (1). However, it is possible to expand the radiation pattern of the receiving element, as indicated in the above example, by giving it and the prism of a cylindrical shape. You can use two or more receiving elements and control them by analogy with the above-described principles of controlling radiating elements Z1-Z8.

Здесь следует учесть следующее обстоятельство. По ряду причин стоимость приемного канала, как правило, существенно превышает стоимость канала генераторного. В то же время суммарная диаграмма направленности ультразвукового преобразователя определяется произведением диаграмм направленности излучающего и приемного элементов. В силу принципа дуальности не важно - приемник ли является более сфокусированным устройством или генератор. Поэтому, если нет других противопоказаний (например, быстродействие системы, которое при фокусировании на прием может обеспечить более высокую скорость получения информации), целесообразно использовать манипуляции с полевыми характеристиками УП за счет генераторов.The following circumstance should be taken into account here. For a number of reasons, the cost of the receiving channel, as a rule, significantly exceeds the cost of the channel of the generator. At the same time, the total radiation pattern of the ultrasonic transducer is determined by the product of the radiation patterns of the emitting and receiving elements. By virtue of the principle of duality, it does not matter whether the receiver is a more focused device or a generator. Therefore, if there are no other contraindications (for example, the speed of the system, which, when focusing on reception, can provide a higher speed of obtaining information), it is advisable to use manipulations with the field characteristics of the UE due to generators.

Исследование прототипа такой системы - ультразвукового раздельно-совмещенного преобразователя, имеющего восемь ГП, управляемых восьмью независимыми ГЗИ, и один ПП - остальные семь УП были заменены эквивалентной электрической нагрузкой, показали его способность эффективно обнаруживать в стальном образце искусственные отражатели диаметром 2 мм, находящиеся в диапазоне от 2 мм до как минимум 300 мм от УП. Это. означает, что объект предполагаемой полезной модели позволяет в пять - десять раз повысить толщину изделий, которые могут быть надежно и эффективно проконтролированы.The study of the prototype of such a system - an ultrasonic separately-combined transducer having eight GPs controlled by eight independent GZI, and one PP - the remaining seven PMs were replaced by an equivalent electric load, showed its ability to effectively detect artificial reflectors with a diameter of 2 mm in the range from 2 mm to at least 300 mm from unitary enterprise. It. means that the object of the proposed utility model allows five to ten times to increase the thickness of products that can be reliably and effectively controlled.

Источники информации.Information sources.

1. Клюев В.В. Неразрушающий контроль. Том 3.: Справочник. В 7-и книгах/Под ред. Клюева В.В. - М.: Машиностроение, 2004.1. Klyuev V.V. Unbrakable control. Volume 3 .: Reference. In 7 books / Ed. Klyueva V.V. - M.: Mechanical Engineering, 2004.

2. Кретов Е.Ф. Ультразвуковая дефектоскопия в энергомашиностроении. - Изд. 3-е, перераб. и доп. - Санкт-Петербург: СВЕН, 2011, 312 с, ISBN 978-5-91161-014-2.2. Kretov E.F. Ultrasonic flaw detection in power engineering. - Ed. 3rd, rev. and add. - St. Petersburg: SVEN, 2011, 312 s, ISBN 978-5-91161-014-2.

3. Выборнов Б.И. Ультразвуковая дефектоскопия. - М.: Металлургия, 1985.3. Vybornov B.I. Ultrasonic flaw detection. - M.: Metallurgy, 1985.

4. Клюев В.В. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. - М.: Машиностроение, 1986.4. Klyuev V.V. Devices for non-destructive testing of materials and products. - M.: Mechanical Engineering, 1986.

5. Патент РФ № 2354076.5. RF patent No. 2354076.

6. Патент РФ № 2532587.6. RF patent No. 2532587.

Claims

A device for automated ultrasonic testing of sheet metal and pipes, including a set of probing pulse generators (GZI) controlled by a synchronizing device (SU), a set of receiving devices (PU) and at least one group of separately combined ultrasonic transducers (UEs) located in in one case or in different cases, and the generator piezoelectric elements (GP) of all UEs are connected to their respective probing pulse generators (GZI), controlled independently by synchronization measuring device, and receiving piezoelectric elements (PP) are connected to their respective receiving devices, and within the limits of one ultrasonic transducer all GPs and opposite PPs are located on different acoustic prisms separated by an acoustic screen (AE), characterized in that the whole set of UP , which is part of the device is divided into groups of two or more units, and the GP located inside each unit are physically divided into at least two electrically and acoustically independent zones parallel to each other and AEs and located at different distances from the AEs, moreover, zones with the same numbers located in different UE, but at an equal distance from the AE, form groups connected electrically to each other, and each such group is connected to a common GZI corresponding to it.