RU2018815C1 - Ultrasonic method for measuring internal mechanical stresses - Google Patents

Ultrasonic method for measuring internal mechanical stresses Download PDF

Info

Publication number
RU2018815C1
RU2018815C1 SU5057865A RU2018815C1 RU 2018815 C1 RU2018815 C1 RU 2018815C1 SU 5057865 A SU5057865 A SU 5057865A RU 2018815 C1 RU2018815 C1 RU 2018815C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
difference
ultrasonic
signals
loaded
mechanical stresses
Prior art date
Application number
Other languages
Russian (ru)
Inventor
В.Т. Власов
Б.Н. Марин
Е.С. Юрчук
Ю.А. Коровкин
Original Assignee
Чургель Анатолий Олегович
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Чургель Анатолий Олегович filed Critical Чургель Анатолий Олегович
Priority to SU5057865 priority Critical patent/RU2018815C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2018815C1 publication Critical patent/RU2018815C1/en

Links

Landscapes

  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

FIELD: testing equipment. SUBSTANCE: method involves simultaneous introduction and reception of ultrasonic pulses into loaded object and its analog, forming an algebraic sum of received signals, determining summary signal of relative difference of speeds for judging the magnitude of stresses with amplitude of summary signal used as a parameter. Besides, an algebraic difference of received signals is formed while relative change of speed is determined by the relation between summary and difference signals. Non-loaded analog of the object is constituted by the non-loaded area of the object proper. EFFECT: lower requirements to accuracy characteristics of measuring means which broadens considerably the field of application. 2 cl

Description

Изобретение относится к неразрушающему контролю физических характеристик изделий и материалов и может быть использовано для измерения внутренних напряжений в сварных соединениях, гайках резьбовых соединений и др. изделиях при строительстве, монтаже и эксплуатации объектов ответственного назначения в различных отраслях промышленности. The invention relates to non-destructive testing of the physical characteristics of products and materials and can be used to measure internal stresses in welded joints, nuts of threaded joints and other products in the construction, installation and operation of critical facilities in various industries.

Известен ультразвуковой способ измерения внутренних напряжений в изделиях и материалах, основанный на измерении разности скоростей в напряженном и свободном состояниях исследуемого объекта путем измерения разности времен прохождения одного и того же пути в объекте в напряженном и свободном состоянии [1]. A known ultrasonic method for measuring internal stresses in products and materials, based on measuring the difference in speeds in the stress and free states of the investigated object by measuring the difference in the travel times of the same path in the object in the stress and free state [1].

Недостатком этого способа является необходимость использования сложной высокостабильной и точной аппаратуры, способной измерять изменение времени до 10-3 - 10-9 с. Помимо высокой стоимости такой аппаратуре присущи жесткие требования по условиям ее эксплуатации, что существенно ограничивает область применения этих способов.The disadvantage of this method is the need to use complex highly stable and accurate equipment, capable of measuring the time change up to 10 -3 - 10 -9 s. In addition to the high cost of such equipment inherent stringent requirements for the conditions of its operation, which significantly limits the scope of these methods.

Известен ультразвуковой способ измерения внутренних напряжений, в котором изменение скорости измеряется не менее точно, но более простыми средствами. Способ заключается в том, что одновременно двумя идентичными преобразователями вводят в нагруженный исследуемый объект и его ненагруженный аналог импульсы ультразвуковых колебаний, принимают двумя идентичными приемными преобразователями прошедшие сигналы, алгебраически суммируют их и по параметрам суммарного сигнала определяют относительную разность скоростей, по которой судят о величине напряжения [2]. В этом способе суммируются две последовательности многократно отраженных импульсов. Суммарный сигнал при отсутствии напряжений в исследуемом объекте представляет собой последовательность импульсов, амплитуды которых вдвое больше соответствующих импульсов каждого из слагаемых и убывают в соответствии с характером затухания в материале исследуемого образца. При наличии напряжений в исследуемом образце изменяется скорость распространения УЗ колебаний в нем и появляется нарастающая от импульса к импульсу разность фаз между суммируемыми сигналами, что приводит к периодическому немонотонному изменению сгибающей амплитуд импульсов суммарного сигнала от величины, равной величине суммарной амплитуды при отсутствии напряжений, до нуля. По положению нулей результирующей огибающей в напряженном состоянии определяют величину изменения скорости. A known ultrasonic method for measuring internal stresses, in which the change in speed is measured not less accurately, but by simpler means. The method consists in the fact that simultaneously with two identical transducers the pulses of ultrasonic vibrations are introduced into a loaded test object and its unloaded analog, the transmitted signals are received by two identical receiving transducers, they are algebraically summed and the relative speed difference is determined from the parameters of the total signal, according to which the voltage value is judged [2]. In this method, two sequences of multiply reflected pulses are summed. The total signal in the absence of stresses in the studied object is a sequence of pulses whose amplitudes are twice as large as the corresponding pulses of each of the terms and decrease in accordance with the nature of the attenuation in the material of the test sample. In the presence of stresses in the test sample, the propagation speed of ultrasonic vibrations in it changes and a phase difference between the summed signals increases from pulse to pulse, which leads to a periodic nonmonotonic change in the bending amplitudes of the pulses of the total signal from a value equal to the value of the total amplitude in the absence of stresses to zero . The position of the zeros of the resulting envelope in the stressed state determines the magnitude of the change in speed.

Недостатком такого способа является необходимость получения большого количества многократно отраженных импульсов, что невозможно при наклонном вводе УЗ колебаний, а также в случае материалов с большим затуханием. Кроме того, если исследуемый объект имеет форму ограниченных пластин (l/d < 10 + 15, где l - минимальный размер площади пластины; d - толщина), даже в отсутствие напряжений суммируемые и суммарные сигналы имеют немонотонное изменение огибающей амплитуд импульсов с провалами до нуля, что приведет к появлению неоднозначности и ошибок измерения. Все это существенно ограничивает область применения способа. The disadvantage of this method is the need to obtain a large number of multiply reflected pulses, which is impossible with the inclined input of ultrasonic vibrations, as well as in the case of materials with high attenuation. In addition, if the object under study has the form of limited plates (l / d <10 + 15, where l is the minimum size of the plate area; d is the thickness), even in the absence of stresses, the summed and total signals have a nonmonotonic change in the envelope of the pulse amplitudes with dips to zero , which will lead to the appearance of ambiguity and measurement errors. All this significantly limits the scope of the method.

Целью изобретения является повышение точности и достоверности измерений. The aim of the invention is to improve the accuracy and reliability of measurements.

Для этого в способе ультразвукового измерения внутренних напряжений, заключающемся в том, что одновременно двумя идентичными излучающими преобразователями вводят в нагруженный исследуемый объект и его ненагруженный аналог импульсы ультразвуковых колебаний, принимают двумя идентичными приемными преобразователями прошедшие сигналы, алгебраически суммируют их и по параметрам суммарного сигнала определяют относительную разность скоростей, по которой судят о величине напряжения, в качестве параметра суммарного сигнала используют амплитуду суммарного импульса. Кроме того, дополнительно получают алгебраическую разность прошедших сигналов, а относительное изменение скоростей ультразвуковых колебаний определяют по отношению амплитуд суммарного и разностного сигналов по формуле

Figure 00000001
=
Figure 00000002
·φ ;;
φ =
Figure 00000003
Figure 00000004
Figure 00000005
Figure 00000006
Figure 00000007
Figure 00000008
Figure 00000009
Figure 00000010
где φ - разность фаз принятых сигналов в напряженном и свободном объектах;
С, ΔС - скорость УЗ колебаний и ее изменение;
f - частота УЗ колебаний;
L - длина пути УЗ колебаний в изделии;
А+, А- - амплитуды суммарного и разностного сигналов соответственно.To do this, in the method of ultrasonic measurement of internal stresses, which consists in the fact that simultaneously two identical emitting transducers inject pulses of ultrasonic vibrations into a loaded test object and its unloaded analogue, the transmitted signals are received by two identical receiving transducers, they are algebraically summed and the relative signal is determined by the parameters of the total signal the speed difference, which is used to judge the magnitude of the voltage, use amp as a parameter of the total signal litudu total momentum. In addition, an additional algebraic difference of the transmitted signals is obtained, and the relative change in the velocities of ultrasonic vibrations is determined by the ratio of the amplitudes of the total and difference signals according to the formula
Figure 00000001
=
Figure 00000002
Φ ;;
φ =
Figure 00000003
Figure 00000004
Figure 00000005
Figure 00000006
Figure 00000007
Figure 00000008
Figure 00000009
Figure 00000010
where φ is the phase difference of the received signals in a tense and free objects;
С, ΔС - speed of ultrasonic vibrations and its change;
f is the frequency of ultrasonic vibrations;
L is the path length of ultrasonic vibrations in the product;
A + , A - are the amplitudes of the total and difference signals, respectively.

В качестве ненагруженного аналога исследуемого объекта используют ненагруженную область самого исследуемого объекта. As an unloaded analogue of the object under investigation, an unloaded region of the object under investigation is used.

Сигнал, принятый в ненагруженном состоянии, может быть записан в виде
U1 = A1 sin ωt, где А1 - амплитуда УЗК в ненагруженном объекте;
ω= 2 π f - круговая частота УЗК;
t - время.A signal received in an unloaded state may be recorded as
U 1 = A 1 sin ωt, where A 1 is the amplitude of the ultrasonic testing in an unloaded object;
ω = 2 π f is the circular frequency of ultrasonic testing;
t is time.

Сигнал, полученный при прохождении УЗК в нагруженном состоянии, имеет вид
U2 = A2 Sin ( ωt + φ), где φ - набег фазы за счет изменения скорости УЗК;
А2 - амплитуда УЗК в нагруженном объекте;
t - время.The signal received during the passage of ultrasonic testing in the loaded state has the form
U 2 = A 2 Sin (ωt + φ), where φ is the phase incursion due to a change in the ultrasonic testing speed;
And 2 - the amplitude of the ultrasonic testing in a loaded object;
t is time.

Тогда суммарный и разностный сигналы имеют вид соответственно
U1 + U2 = A+ Sin (ω t + φ+),
U1 - U2 = A- Sin ( ωt + φ -) где φ+ , φ- - сдвиги по фазе в суммарном и разностном сигналах.Then the total and difference signals have the form, respectively
U 1 + U 2 = A + Sin (ω t + φ + ),
U 1 - U 2 = A - Sin (ωt + φ - ) where φ + , φ - are the phase shifts in the total and difference signals.

Причем амплитуды после соответствующих математических преобразований могут быть записаны следующим образом
A+= A

Figure 00000011
,
A-= A
Figure 00000012
, при этом А1 = А2 = А. Тогда отношение суммарной и разностной амплитуд выражаются так
Figure 00000013
=
Figure 00000014
= ctg
Figure 00000015
,
Figure 00000016
=
Figure 00000017
= tg
Figure 00000018
. Отсюда φ = 2 arcctg
Figure 00000019
= 2 arctg
Figure 00000020
.Moreover, the amplitudes after the corresponding mathematical transformations can be written as follows
A + = A
Figure 00000011
,
A - = A
Figure 00000012
, while A 1 = A 2 = A. Then the ratio of the total and difference amplitudes are expressed as
Figure 00000013
=
Figure 00000014
= ctg
Figure 00000015
,
Figure 00000016
=
Figure 00000017
= tg
Figure 00000018
. Hence φ = 2 arcctg
Figure 00000019
= 2 arctg
Figure 00000020
.

Разность фаз φ сигналов, прошедших в нагруженном и свободном состояниях, равна
φ =

Figure 00000021
·
Figure 00000022
. Отсюда получают
Figure 00000023
=
Figure 00000024
·φ ;. В этой формуле определять φ можно по-разному: если напряжения малые, то А+ > А-,φ = 2 arcctg
Figure 00000025
(при этом точность определения отношения будет выше), а при больших напряжениях, когда А+ < А-, - используют зависимость φ = 2 arctg
Figure 00000026
.The phase difference φ of the signals transmitted in the loaded and free states is equal to
φ =
Figure 00000021
·
Figure 00000022
. Get from here
Figure 00000023
=
Figure 00000024
Φ;. In this formula, φ can be determined in different ways: if the voltages are small, then A + > A - , φ = 2 arcctg
Figure 00000025
(in this case, the accuracy of determining the ratio will be higher), and at high voltages, when A + <A - , - use the dependence φ = 2 arctg
Figure 00000026
.

Полезный эффект становится очевидным, если проанализировать допустимую погрешность измерений по разработанному способу. A useful effect becomes apparent if we analyze the permissible measurement error by the developed method.

При малых напряжениях

Figure 00000027
=
Figure 00000028
· 2 arcctg
Figure 00000029
.At low voltages
Figure 00000027
=
Figure 00000028
2 arcctg
Figure 00000029
.

Проведя соответствующие математические операции, можно получить погрешность измерения

Figure 00000030
в зависимости от погрешности измерения амплитуд
Figure 00000031
=
Figure 00000032
·
Figure 00000033
·
Figure 00000034
, где А - амплитуда принятого сигнала.By performing the appropriate mathematical operations, you can get the measurement error
Figure 00000030
depending on the measurement error of the amplitudes
Figure 00000031
=
Figure 00000032
·
Figure 00000033
·
Figure 00000034
where A is the amplitude of the received signal.

П р и м е р. PRI me R.

Пусть А+ = 1,9 А; А- = 0,1 А; L = 50 мм;
С = 3,2 ˙106 мм/с; f = 2,5˙ 106 Гц. Если взять допустимую погрешность измерения разности скоростей

Figure 00000035
= 10-4 (при этом Δ σ= 1,6 кг/мм2), то требуемая точность измерения амплитуд суммарных и разностных сигналов составляет
Figure 00000036
= 2·10-2.Let A + = 1.9 A; A - = 0.1 A; L = 50 mm;
C = 3.2 ˙10 6 mm / s; f = 2.5˙ 10 6 Hz. If we take the permissible error in measuring the difference in speeds
Figure 00000035
= 10 -4 (with Δ σ = 1.6 kg / mm 2 ), then the required accuracy of measuring the amplitudes of the total and difference signals is
Figure 00000036
= 2 · 10 -2 .

Таким образом, относительная допустимая погрешность измерений увеличилась в 200 раз. Это является техническим результатом от использования предлагаемого способа, что делает возможным применение серийного дефектоскопа УД2-12. При этом обеспечиваемая прибором точность измерения амплитуд позволяет снизить погрешность измерения относительной разности скоростей до 0,5˙ 10-4, а погрешность измерения напряжений до Δ σ = 0,8 кг/мм2.Thus, the relative permissible measurement error increased 200 times. This is a technical result from the use of the proposed method, which makes it possible to use a serial flaw detector UD2-12. In this case, the accuracy of the measurement of the amplitudes provided by the device allows to reduce the error in measuring the relative velocity difference to 0.5˙ 10 -4 , and the error in measuring stresses to Δ σ = 0.8 kg / mm 2 .

Способ измерения напряжений осуществляют следующим образом. The method of measuring stress is as follows.

В зависимости от формы изделия и ориентации вектора напряжения в нем подбирают две пары серийных преобразователей, причем излучающие преобразователи должны обеспечить параллельность вектора смещения вводимых УЗ колебаний в исследуемом изделии вектору напряжения. В одном из приемных преобразователей путем несложной переделки необходимо обеспечить возможность переполюсовки электродов пьезопластины. Излучающие преобразователи подключают параллельно к генератору дефектоскопа и устанавливают на исследуемый объект в нагруженной и свободной его частях (например, один рядом с усилением сварного шва, а другой на расстоянии около 10b, где b - ширина усиления шва). Затем, поочередно подключая приемные преобразователи и устанавливая их на исследуемый объект, добиваются равного максимального значения амплитуд принимаемых сигналов и фиксируют положения всех преобразователей. Далее, соединяя параллельно приемные преобразователи, подключают их одновременно к приемному гнезду дефектоскопа и измеряют амплитуду суммарного сигнала А. Проведя переполюсовку пьезопластины одного приемного преобразователя, измеряют амплитуду разностного сигнала А-. Затем по приведенным формулам определяют

Figure 00000037
и по известному акустоупругому коэффициенту рассчитывают напряжение.Depending on the shape of the product and the orientation of the voltage vector, two pairs of serial converters are selected in it, and the radiating converters must ensure the parallelism of the displacement vector of the introduced ultrasonic vibrations in the product under study by the voltage vector. In one of the receiving transducers by a simple alteration, it is necessary to ensure the possibility of polarity reversal of the piezoelectric plate electrodes. Radiant transducers are connected in parallel to the flaw detector generator and installed on the object under investigation in the loaded and free parts (for example, one near the weld reinforcement and the other at a distance of about 10b, where b is the width of the weld reinforcement). Then, by alternately connecting the receiving transducers and installing them on the studied object, they achieve an equal maximum value of the amplitudes of the received signals and fix the positions of all the transducers. Next, connecting the receiving transducers in parallel, connect them simultaneously to the receiving socket of the flaw detector and measure the amplitude of the total signal A. After reversing the piezoelectric plate of one receiving transducer, the amplitude of the difference signal A - is measured. Then, using the above formulas,
Figure 00000037
and a stress is calculated from a known acoustoelastic coefficient.

Преимущество предлагаемого способа заключается в снижении затрат на проведение контроля, поскольку вместо специализированной дорогостоящей аппаратуры может использоваться серийная общедоступная аппаратура, благодаря тому, что разработанный способ позволяет увеличить допустимую погрешность измерений в 200 раз, не снижая при этом точность определения напряжения. Возможность же использования портативной аппаратуры позволяет проводить измерения в полевых и монтажных условиях, что раньше в ряде случаев было невозможно. The advantage of the proposed method is to reduce the cost of monitoring, because instead of specialized expensive equipment, serial public equipment can be used, due to the fact that the developed method allows to increase the permissible measurement error by 200 times, without reducing the accuracy of voltage determination. The possibility of using portable equipment allows measurements in the field and installation conditions, which was previously impossible in some cases.

Claims (2)

1. УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВНУТРЕННИХ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ, заключающийся в том, что в нагруженный исследуемый объект и ненагруженный его аналог вводят импульсы ультразвуковых колебаний (УЗК), принимают прошедшие сигналы, алгебраически суммируют их и рассчитывают относительную разность скоростей УЗК, по которой судят о величине внутренних механических напряжений, отличающийся тем, что дополнительно определяют алгебраическую разность тех же прошедших сигналов, а относительную разность скоростей УЗК определяют из соотношения
Figure 00000038
=
Figure 00000039
·φ ;,
где φ =
Figure 00000040
Figure 00000041
Figure 00000042
Figure 00000043
Figure 00000044
Figure 00000045
Figure 00000046
Figure 00000047
,
C , Δ C - скорость УЗК и ее изменение;
f - частота УЗК;
L - длина пути УЗК в изделии;
A+, A- - амплитуды суммарного и разностного сигналов.1. ULTRASONIC METHOD FOR MEASURING INTERNAL MECHANICAL STRESSES, which consists in the fact that ultrasonic vibrations pulses (ultrasonic vibrations) are introduced into a loaded test object and its unloaded analogue, the transmitted signals are received, they are algebraically summed and the relative velocity difference V is calculated, which is calculated from mechanical stresses, characterized in that the algebraic difference of the same transmitted signals is additionally determined, and the relative speed difference of the ultrasonic testing is determined from the ratio and I
Figure 00000038
=
Figure 00000039
Φ;
where φ =
Figure 00000040
Figure 00000041
Figure 00000042
Figure 00000043
Figure 00000044
Figure 00000045
Figure 00000046
Figure 00000047
,
C, Δ C is the ultrasonic testing speed and its change;
f is the ultrasound frequency;
L is the path length of the ultrasonic inspection in the product;
A + , A - are the amplitudes of the total and difference signals. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве ненагруженного аналога исследуемого объекта используют ненагруженную область самого исследуемого объекта. 2. The method according to claim 1, characterized in that as an unloaded analogue of the test object, an unloaded region of the test object is used.
SU5057865 1992-09-24 1992-09-24 Ultrasonic method for measuring internal mechanical stresses RU2018815C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU5057865 RU2018815C1 (en) 1992-09-24 1992-09-24 Ultrasonic method for measuring internal mechanical stresses

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU5057865 RU2018815C1 (en) 1992-09-24 1992-09-24 Ultrasonic method for measuring internal mechanical stresses

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2018815C1 true RU2018815C1 (en) 1994-08-30

Family

ID=21611162

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SU5057865 RU2018815C1 (en) 1992-09-24 1992-09-24 Ultrasonic method for measuring internal mechanical stresses

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2018815C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2459200C1 (en) * 2011-03-03 2012-08-20 Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный авиационный инженерный университет" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации Ultrasonic method of measuring elongation of reinforcement bar of reinforced concrete structure

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
1. Авторское свидетельство СССР N 1516951, кл. G 01N 29/00, 1991. *
2. Spinola R.P., Waterman P.C. An ultrasonics Jnterferometer vor Measurement of Velocily Changes in Solids.Jnt. Appl. Physics vol 29, 1958, N 4, р.718. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2459200C1 (en) * 2011-03-03 2012-08-20 Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный авиационный инженерный университет" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации Ultrasonic method of measuring elongation of reinforcement bar of reinforced concrete structure

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4305294A (en) Ultrasonic apparatus and method for measuring wall thickness
KR870009229A (en) Nondestructive Testing Method of Boiler Tube Using Ultrasonic Wave
AU597636B2 (en) Measurement of residual stresses in material
US5780744A (en) Out-of-plane ultrasonic velocity measurement
JPS6236527B2 (en)
RU2057330C1 (en) Acoustic method of determination of internal mechanical stresses in solid materials
RU2018815C1 (en) Ultrasonic method for measuring internal mechanical stresses
US3624712A (en) Ultrasonic pulse echo thickness-measuring device
RU2601388C2 (en) Ultrasonic method of internal mechanical stresses measuring
RU2057329C1 (en) Ultrasonic method of measurement of internal mechanical stresses
RU1786421C (en) Method for determination of elastic characteristics of materials
SU1763887A1 (en) Ultrasonic thickness meter
JPH04301762A (en) Piezoelectric-crystal element and its measuring device
KR102314794B1 (en) Nondestructive testing apparatus using distance measuring sensor
JP2824488B2 (en) Method of measuring plate thickness of concrete structure by ultrasonic pulse reflection method
SU1610433A1 (en) Method of determining speed of propagation of transverse ultrasonic waves through core
JPH06258297A (en) Ultrasonic material testing device and material testing method by using ultrasonic wave
JPH0749944B2 (en) Simultaneous measurement of material thickness and sound velocity
RU2034236C1 (en) Ultrasound echo thickness gage
SU1293630A1 (en) Method of ultrasonic checking of articles
SU1022050A1 (en) Ultrasonic converter operating frequency determination method
RU2020471C1 (en) Ultrasonic method for measuring internal mechanical stresses in nut of threaded joint
RU2040790C1 (en) Method of ultrasonic testing
SU1226302A1 (en) Ultrasonic device for inspecting roughness of article surface
SU1631409A1 (en) Method of testing ultrasonic echo-pulse instruments