RU2723913C1 - Immersion ultrasonic testing device - Google Patents
Immersion ultrasonic testing device Download PDFInfo
- Publication number
- RU2723913C1 RU2723913C1 RU2020107882A RU2020107882A RU2723913C1 RU 2723913 C1 RU2723913 C1 RU 2723913C1 RU 2020107882 A RU2020107882 A RU 2020107882A RU 2020107882 A RU2020107882 A RU 2020107882A RU 2723913 C1 RU2723913 C1 RU 2723913C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- immersion
- ultrasonic
- piezoelectric elements
- condition
- test object
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/04—Analysing solids
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к устройствам, предназначенным для неразрушающего ультразвукового контроля изделий со сложным профилем, таких как рельсы и сортовой прокат.The invention relates to devices designed for non-destructive ultrasonic testing of products with a complex profile, such as rails and long products.
Широко известны устройства для контроля поверхности изделий (далее – объектов контроля), основанные на применении вихретоковых датчиков, которые позволяют осуществлять высокопроизводительный бесконтактный контроль объектов контроля, движущихся на большой скорости, при этом, датчики располагают в непосредственной близости от поверхности объекта контроля.Widely known are devices for monitoring the surface of products (hereinafter referred to as control objects) based on the use of eddy current sensors, which allow high-performance non-contact monitoring of control objects moving at high speed, while the sensors are located in close proximity to the surface of the control object.
При этом известные устройства обладают недостатками, к которым, в частности относятся низкая чувствительность вихретоковых датчиков к подповерхностным дефектам, обусловленная сравнительно небольшой эффективной глубиной проникновения вихревых токов в металлы, особенно при контроле ферромагнитных изделий, а также то, что вихретоковые датчики необходимо располагать в непосредственной близости от объекта контроля, что достаточно затруднительно с точки зрения обеспечения безопасности дефектоскопического оборудования. Moreover, the known devices have disadvantages, which, in particular, include the low sensitivity of eddy current sensors to subsurface defects, due to the relatively small effective penetration depth of eddy currents in metals, especially when monitoring ferromagnetic products, and the fact that eddy current sensors must be located in close proximity from the object of control, which is quite difficult from the point of view of ensuring the safety of flaw detection equipment.
Известен другой способ обнаружения дефектов на поверхности ферромагнитных материалов и изделий, который в зарубежной литературе именуется как Magnetic Flux Leakage (MFL), например, опубликованный в Интернет по ссылке: https://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_flux_leakage.There is another method for detecting defects on the surface of ferromagnetic materials and products, which is referred to as Magnetic Flux Leakage (MFL) in foreign literature, for example, published on the Internet at: https://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_flux_leakage.
Этот способ заключается в подводе магнитного поля к объекту контроля и регистрации рассеяния (так называемых, «утечек») магнитного потока, обусловленного дефектом.This method consists in supplying a magnetic field to an object for monitoring and recording the scattering (so-called “leaks”) of the magnetic flux caused by the defect.
Устройства, базирующиеся на известном способе, включают электромагнит или постоянный магнит, поле которого замыкается через объект контроля, и чувствительный элемент, например, катушку, датчик Холла или аналогичное устройство, позволяющие регистрировать «утечки» магнитного поля, обусловленные дефектами.Devices based on the known method include an electromagnet or a permanent magnet, the field of which is closed through the control object, and a sensing element, for example, a coil, a Hall sensor, or a similar device, allowing to detect magnetic leaks caused by defects.
Одно из таких устройств для обнаружения дефектов, например, в прутках, трубах представляет собой ротор, содержащий электромагнит и оппозитно закрепленные чувствительные приёмные элементы, например, катушки, расположенные вблизи объекта контроля между полюсами магнита. Вся система вращается вокруг объекта контроля, через который проходит магнитный поток. При наличии дефекта часть магнитного потока выходит наружу, сцепляется с витками приемной катушки, и, вследствие закона электромагнитной индукции на контактах катушки возникает электрический импульс, за счёт чего дефект регистрируется. При этом в момент регистрации дефекта катушка находится в его непосредственной близости - в зоне взаимодействия магнитного поля с дефектом. Чем быстрее вращается ротор, тем быстрее поле рассеяния пересекает витки катушки, и тем большим будет сигнал, обусловленный дефектом. Вместо катушки в качестве приемника также может быть использован датчик Холла, магниторезистор или аналогичный элемент. Достоинством этих вариантов исполнения является то, что амплитуда сигнала от дефекта практически не зависит от скорости вращения ротора.One of such devices for detecting defects, for example, in rods, pipes, is a rotor containing an electromagnet and oppositely mounted sensitive receiving elements, for example, coils located near the control object between the poles of a magnet. The whole system revolves around the control object through which the magnetic flux passes. In the presence of a defect, part of the magnetic flux goes outside, engages with the turns of the receiving coil, and, due to the law of electromagnetic induction, an electric pulse arises at the coil contacts, due to which the defect is recorded. Moreover, at the time of registration of the defect, the coil is in its immediate vicinity - in the zone of interaction of the magnetic field with the defect. The faster the rotor rotates, the faster the scattering field crosses the turns of the coil, and the larger the signal due to the defect. Instead of a coil, a Hall sensor, a magnetoresistor, or a similar element can also be used as a receiver. The advantage of these options is that the amplitude of the signal from the defect is practically independent of the rotor speed.
Недостатками известного способа и реализующих его устройств является невозможность контроля неферромагнитных объектов, а также объектов сложной формы, таких как сортовой прокат и рельсы. The disadvantages of this method and its implementing devices is the inability to control non-ferromagnetic objects, as well as objects of complex shape, such as long products and rails.
Также известны технические решения по патенту на изобретение РФ №2561250 «Способ обнаружения дефектов на поверхности ферромагнитных материалов и изделий и устройство для его осуществления», МПК G01N27/83, G01N29/04, опубл. 27.08.2015. Also known are technical solutions for the patent for the invention of the Russian Federation No. 2561250 "Method for detecting defects on the surface of ferromagnetic materials and products and a device for its implementation", IPC G01N27 / 83, G01N29 / 04, publ. 08/27/2015.
Заявленный способ предусматривает подвод к объекту контроля магнитного поля и регистрацию электрических сигналов, обусловленных магнитным потоком рассеяния, возникающим на дефекте, причём намагничивание объекта контроля или его части производят импульсами магнитного поля и дополнительно осуществляют акустическую задержку электрических сигналов, обусловленных взаимодействием магнитных импульсов с дефектом, причем минимальное значение этой задержки фмин ≥ То, где То - эффективная длительность импульса магнитного поля, приложенного к исследуемой области объекта контроля, и регистрируют электрические сигналы, обусловленные полями рассеяния дефектов. В качестве части звукопровода линии задержки используют сам объект контроля. The claimed method provides for the approach to the object of control of the magnetic field and the registration of electrical signals due to the magnetic flux of the scattering that occurs on the defect, and the magnetization of the control object or part of it is performed by pulses of a magnetic field and additionally carry out acoustic delay of the electrical signals due to the interaction of magnetic pulses with the defect, moreover the minimum value of this delay is f min ≥ That, where To is the effective duration of the magnetic field pulse applied to the studied area of the test object, and electrical signals due to defect scattering fields are recorded. The control object itself is used as part of the sound pipe of the delay line.
В устройстве приемный элемент размещен на расстоянии R за пределами зоны взаимодействия источника импульсного магнитного поля с дефектом, минимальное значение которого Rmin=ТоЧС, где: То – длительность магнитного импульса; C - скорость ультразвуковой волны, возбужденной источником магнитного поля в объекте контроля при взаимодействии импульса магнитного поля с дефектом. При этом регистрирующее устройство настроено на частоту, как правило, вдвое превышающую основную частоту спектра импульса магнитного поля, подводимого к объекту контроля.In the device, the receiving element is placed at a distance R outside the zone of interaction of the source of the pulsed magnetic field with the defect, the minimum value of which is Rmin = TOC, where: T0 is the duration of the magnetic pulse; C is the speed of the ultrasonic wave excited by the source of the magnetic field in the control object during the interaction of the magnetic field pulse with the defect. In this case, the recording device is tuned to a frequency that is usually twice as high as the main frequency of the spectrum of the magnetic field pulse supplied to the control object.
Описанный способ и реализующие его устройства обладают высокой чувствительностью, причём не только к поверхностным, но и к подповерхностным дефектам, поскольку в качестве источника информации о наличии и размерах дефекта используют измеряемые характеристики ультразвуковых волн Рэлея, проникающих вглубь изделия на величину порядка длины упругой волны. При этом, недостатками известного способа является невозможность осуществления контроля неферромагнитных изделий, а также ограничения, возникающие при контроле изделий со сложным профилем, таких так рельсы.The described method and the devices implementing it are highly sensitive, not only to surface, but also to subsurface defects, since the measured characteristics of Rayleigh ultrasonic waves penetrating deep into the product by an amount of the order of the elastic wavelength are used as a source of information about the presence and size of the defect. Moreover, the disadvantages of the known method is the inability to control non-ferromagnetic products, as well as the limitations that arise when controlling products with a complex profile, such rails.
Также известны технические решения по патенту на изобретение РФ №2262689 «Способ диагностики несплошностей поверхностного слоя металлопроката и устройство для его осуществления», МПК G01N29/04, опубл. 20.10.2005. Also known are technical solutions for the patent for the invention of the Russian Federation No. 2262689 "Method for the diagnosis of discontinuities in the surface layer of metal and device for its implementation", IPC G01N29 / 04, publ. 10/20/2005.
Сущность известного способа заключается в том, что несплошность облучают волной Релея, регистрируют трансформированную несплошностью ультразвуковую волну, накладывают на объект контроля магнитное поле и регистрируют рассеянный несплошностью магнитный поток, модулированный ультразвуковой волной. По амплитуде и поляризации трансформированной ультразвуковой волны и переменной составляющей рассеянного магнитного потока судят о глубине, ориентации и раскрытии несплошности. The essence of the known method lies in the fact that a discontinuity is irradiated with a Rayleigh wave, an ultrasonic wave transformed by a discontinuity is recorded, a magnetic field is applied to the control object, and a magnetic flux modulated by the ultrasound wave is recorded by the discontinuity. The amplitude and polarization of the transformed ultrasonic wave and the variable component of the scattered magnetic flux judge the depth, orientation and opening of the discontinuity.
Способ реализуют с помощью устройства, содержащего электромагнитно-акустические преобразователи, усилитель, блок измерения информативных параметров, соединенный с дефектоскопом блок принятия решения, импульсный лазерный генератор для возбуждения волн Релея и, по меньшей мере, один световод, доставляющий излучение лазера в рабочую зону электромагнитно-акустических преобразователей.The method is implemented using a device containing electromagnetic-acoustic transducers, an amplifier, a unit for measuring informative parameters, a decision block connected to a flaw detector, a pulsed laser generator for exciting Rayleigh waves, and at least one optical fiber delivering laser radiation to the electromagnetic field acoustic transducers.
Недостатками известного способа и реализующего его устройства являются громоздкость применяемой аппаратуры и сравнительно низкая производительность контроля; кроме того, мощный лазер, генерирующий в объекте контроля ультразвуковые рэлеевские волны, может представлять опасность для обслуживающего его персонала.The disadvantages of the known method and the device that implements it are the bulkiness of the equipment used and the relatively low control performance; In addition, a powerful laser that generates ultrasonic Rayleigh waves in the monitoring object can be dangerous for its personnel.
Также известен «Способ ультразвуковой дефектоскопии цилиндрических изделий» по патенту на изобретение РФ №2029300, МПК G01N29/04, опубл. 20.02.1995, включающий возбуждение в изделии импульса ультразвуковой волны и осуществление многократного прохождения этого импульса по периметру сечения, на заданном временном интервале выделяют энергию акустических импульсов, прошедших изделие по периметру сечения и не отраженных дефектом, и сравнивают это значение со всей акустической энергией, принятой на этом интервале времени. По отношению этих энергий судят о наличии дефекта и его размерах, причем по величине всей энергии, принятой на указанном интервале, судят о состоянии акустического контакта, что повышает достоверность контроля.Also known "Method of ultrasonic inspection of cylindrical products" according to the patent for the invention of the Russian Federation No. 2029300, IPC G01N29 / 04, publ. 02/20/1995, including the excitation of an ultrasonic wave pulse in the product and the implementation of the multiple passage of this pulse along the perimeter of the section, the energy of acoustic pulses that passed the product along the section perimeter and are not reflected by the defect are isolated at a given time interval and this value is compared with all the acoustic energy received on this time interval. In relation to these energies, the presence of a defect and its size are judged, and the state of the acoustic contact is judged by the value of all the energy received at the indicated interval, which increases the reliability of the control.
Теоретически, этот способ может быть применен и для контроля изделий более сложной формы, нежели цилиндр, поскольку рэлеевская волна способна распространяться по криволинейным поверхностям, при условии, что радиус кривизны существенно превышает длину волны в материале объекта контроля. Однако, при реализации этого способа возникают трудности с автоматизацией процесса ультразвукового контроля, обусловленные нестабильным акустическим контактом при возбуждении-приёме рэлеевских волн, а также возможны проблемы при контроле изделий со сложным профилем, таких как, рельсы.Theoretically, this method can also be used to control products of a more complex shape than a cylinder, since a Rayleigh wave can propagate along curved surfaces, provided that the radius of curvature significantly exceeds the wavelength in the material of the test object. However, when implementing this method, difficulties arise with the automation of the process of ultrasonic testing, due to unstable acoustic contact during excitation-reception of Rayleigh waves, as well as possible problems when monitoring products with a complex profile, such as rails.
В публикации: «Исследование распространения ультразвуковых поверхностных волн на границе твёрдого тела с жидкостью» (Акустический журнал, том IX, вып. 2, 1963 г., авторы И.А. Викторов, Е.К. Грищенко, Т.М. Каёкина) была высказана идея применения квазирэлеевских волн для контроля поверхности изделий. Термин «квазирэлеевские волны» означает, что твердое полупространство (объект контроля) граничит не с вакуумом или газом (как в случае с классическими рэлеевскими волнами), а с иммерсионной жидкостью, в которую, как указано в публикации, интенсивно переизлучается энергия поверхностной упругой волны: на расстоянии десяти длин волн энергия ослабляется примерно в е ≈ 2.72 раз или на 8.7 дБ. Если принять, что рабочая частота F составляет 2МГц, то квазирэлеевская волна на пути до дефекта и обратно будет затухать со скоростью приблизительно 1 дБ/мм. Но такое высокое затухание делает практическое использование квазирэлеевских волн, возбуждаемых и принимаемых с помощью известных средств ультразвукового контроля, весьма затруднительным или даже невозможным.In the publication: “A study of the propagation of ultrasonic surface waves at the boundary of a solid with a liquid” (Acoustic Journal, Volume IX,
Технической проблемой, решаемой заявляемым изобретением, является наличие ограничений, возникающих при применении известных способов обнаружения поверхностных и подповерхностных дефектов для изделий со сложным профилем/формой.The technical problem solved by the claimed invention is the presence of limitations arising from the application of known methods for detecting surface and subsurface defects for products with a complex profile / shape.
Техническим результатом настоящего изобретения является преодоление указанных выше ограничений, и обеспечение обнаружения поверхностных и подповерхностных дефектов в изделиях со сложным профилем, таких как рельсы или сортовой прокат.The technical result of the present invention is to overcome the above limitations, and to ensure the detection of surface and subsurface defects in products with a complex profile, such as rails or long products.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для иммерсионного ультразвукового контроля содержащем иммерсионную или локально-иммерсионную ванну и, по крайней мере, один иммерсионный ультразвуковой преобразователь, позиционированный относительно объекта контроля таким образом, чтобы возбуждать в объекте контроля и принимать из него поверхностные квазирэлеевские волны, причём оптимальный угол падения β продольной волны на поверхность объекта контроля рассчитывают по формуле Снеллиуса:The specified technical result is achieved by the fact that in the device for immersion ultrasonic testing containing an immersion or local-immersion bath and at least one immersion ultrasonic transducer, positioned relative to the control object in such a way as to excite quasirelele waves from the control object and the optimal angle of incidence β of the longitudinal wave on the surface of the control object is calculated according to the Snellius formula:
β = Arcsin C1/CR, где:β = Arcsin C1 / CR, where:
С1 – скорость продольной волны в иммерсионной среде;C1 is the longitudinal wave velocity in the immersion medium;
CR – скорость рэлеевской волны в материале объекта контроля,CR is the speed of the Rayleigh wave in the material of the object of control,
каждый ультразвуковой преобразователь включает в себя совокупность из двух и более пьезоэлементов, располагаемых, как правило, на одной линии, причем расстояние H между центрами соседних пьезоэлементов соответствует условию:each ultrasonic transducer includes a combination of two or more piezoelectric elements located, as a rule, on the same line, and the distance H between the centers of adjacent piezoelectric elements corresponds to the condition:
H = K x (CR/F) x Cos (Arcsin C1/CR) (1), где:H = K x (CR / F) x Cos (Arcsin C1 / CR) (1), where:
K – коэффициент, оптимальное значение которого для каждой конкретной дефектоскопической задачи выбирают из диапазона K = 2 ... 20;K is the coefficient, the optimal value of which for each particular flaw detector task is selected from the range K = 2 ... 20;
F – эффективная частота упругих колебаний. F is the effective frequency of elastic vibrations.
Коэффициент К численно равен количеству длин квазирэлеевских волн, укладывающихся на проекции отрезка Н ультразвукового преобразователя на поверхность объекта контроля. Чем больше К, тем меньше плотность пьезоэлементов (количество пьезоэлементов на единицу длины апертуры ультразвукового преобразователя), а, значит, тем меньше объем, и, соответственно, ниже стоимость дефектоскопической электроники и программного обеспечения. С другой стороны, слишком большое значение коэффициента К приводит к сильной неравномерности чувствительности в апертуре ультразвукового преобразователя, которую, после верхнего значения указанного выше диапазона, в большинстве случаев уже невозможно скомпенсировать, по крайней мере, без снижения отношения сигнал/шум ниже критических значений. Оптимальное значение коэффициента К определяется экспериментально на этапе проектирования, поскольку оно в значительной степени зависит как от конкретной дефектоскопической задачи, так и специфики конкретной дефектоскопической аппаратуры, в частности, значения достигаемой ею предельной чувствительности.The coefficient K is numerically equal to the number of lengths of quasi-Rayleigh waves that fit on the projection of the segment H of the ultrasonic transducer onto the surface of the test object. The higher K, the lower the density of the piezoelectric elements (the number of piezoelements per unit length of the aperture of the ultrasonic transducer), and, therefore, the smaller the volume, and, accordingly, the lower the cost of flaw detector electronics and software. On the other hand, a too large value of the coefficient K leads to a strong non-uniformity of sensitivity in the aperture of the ultrasonic transducer, which, after the upper value of the above range, in most cases it is no longer possible to compensate, at least, without reducing the signal-to-noise ratio below critical values. The optimal value of the coefficient K is determined experimentally at the design stage, since it largely depends on both the specific flaw detector task and the specifics of the particular flaw detector equipment, in particular, the value of the ultimate sensitivity reached by it.
В дополнительном аспекте технический результат также достигается тем, что ширина D каждого пьезоэлемента в каждом ультразвуковом преобразователе соответствует условию:In an additional aspect, the technical result is also achieved by the fact that the width D of each piezoelectric element in each ultrasonic transducer corresponds to the condition:
D ≤ (C1/F)/ 2 x Sin dβ (2), где:D ≤ (C1 / F) / 2 x Sin dβ (2), where:
dβ – максимально возможное отклонение угла, образованного нормалью к поверхности объекта контроля в зоне действия любого пьезоэлемента ультразвукового преобразователя и оптимальным углом падения β.dβ is the maximum possible deviation of the angle formed by the normal to the surface of the test object in the coverage area of any piezoelectric element of the ultrasonic transducer and the optimal angle of incidence β.
В другом дополнительном аспекте достижению технического результат также способствует и то, что в любой момент времени генерация квазирэлеевской волны в объекте контроля осуществляется с помощью группы из числа М соседних пьезоэлементов, причём значение числа М соответствует условию:In another additional aspect, the achievement of the technical result is also facilitated by the fact that at any time, the generation of a quasi-Rayleigh wave in the control object is carried out using a group of M neighboring piezoelectric elements, and the value of the number M corresponds to the condition:
M ≤ (2/H) x (R x C1/F) ½ +1 (3).M ≤ (2 / H) x (R x C1 / F) ½ +1 (3).
Выполнение этого условия обеспечивает нахождение объекта контроля в дальней зоне группового излучателя, образованного комбинацией из числа М эквидистантных пьезоэлементов.The fulfillment of this condition ensures that the control object is in the far zone of the group emitter formed by a combination of M equidistant piezoelectric elements.
Соотношение (3) получено из следующих соображений: в соответствие с известной формулой, расстояние от ультразвукового преобразователя до границы его дальней зоны: Relation (3) is obtained from the following considerations: in accordance with the well-known formula, the distance from the ultrasonic transducer to the boundary of its far zone:
R = B2/4(C1/F), где:R = B 2/4 (C1 / F), where:
B – величина апертуры, образованной комбинацией из М эквидистантных излучателей.B is the magnitude of the aperture formed by a combination of M equidistant emitters.
Поскольку B = (M - 1) x H + D, то условие (2) обеспечивает нахождение объекта контроля в дальней зоне ультразвукового преобразователя.Since B = (M - 1) x H + D, condition (2) ensures that the control object is in the far zone of the ultrasonic transducer.
Из этой формулы следует очень важное свойство заявляемого технического решения: для достижения максимального быстродействия и эффективности дефектоскопической системы (все пьезоэлементы работают в каждом акте прозвучивания), целесообразно увеличивать расстояние R между ультразвуковым преобразователем и объектом контроля по крайней мере до некоторого минимального значения Rmin, обеспечивающего нахождение объекта контроля в дальней зоне всей совокупности пьезоэлементов, принадлежащих одному ультразвуковому преобразователю.This formula implies a very important property of the claimed technical solution: to achieve maximum speed and efficiency of the flaw detection system (all piezoelectric elements work in each act of sounding), it is advisable to increase the distance R between the ultrasonic transducer and the test object to at least some minimum value of R min , providing finding the control object in the far zone of the entire set of piezoelectric elements belonging to one ultrasonic transducer.
Rmin = [(N – 1) x H +D]2 /4(C1/F), где: R min = [(N - 1) x H + D] 2/4 (C1 / F), where:
N – общее число пьезоэлементов в ультразвуковом преобразователе.N is the total number of piezoelectric elements in the ultrasonic transducer.
Достижению цели способствует так же то, что в заявляемом устройстве кроме квазирэлеевких волн для обнаружения несплошностей используют продольные волны, распространяющиеся в иммерсионной жидкости и отражающиеся от дефектного участка поверхности объекта контроля, причём признаком наличия дефекта является изменение амплитудно-временных, спектральных или иных параметров отраженного сигнала. Achieving the goal also contributes to the fact that in the inventive device, in addition to quasi-Rayleigh waves, longitudinal waves propagating in the immersion liquid and reflected from the defective area of the surface of the test object are used to detect discontinuities, and a sign of the presence of a defect is a change in the amplitude-time, spectral or other parameters of the reflected signal .
Заявляемая конструкция устройства для иммерсионного ультразвукового контроля поясняется изображениями.The inventive design of the device for immersion ultrasonic testing is illustrated by images.
На фиг. 1. показана рабочая поверхность ультразвукового преобразователя, которая содержит восемь пьезоэлементов 1 … 8, наклеенных на подложку 9, которая может иметь плоскую, цилиндрическую, или иную форму, согласованную с формой поверхности профиля объекта контроля. При этом, количество пьезоэлементов может быть оптимизировано для выполнения конкретной задачи.In FIG. 1. shows the working surface of the ultrasonic transducer, which contains eight
Расстояние H между центрами соседних пьезоэлементов должно удовлетворять условию:The distance H between the centers of adjacent piezoelectric elements must satisfy the condition:
H = K x (CR/F) x Cos (Arcsin C1/CR), где:H = K x (CR / F) x Cos (Arcsin C1 / CR), where:
K – коэффициент, оптимальное значение которого выбирают эмпирически, из диапазона K = 1 … 10;K - coefficient, the optimal value of which is chosen empirically, from the range K = 1 ... 10;
С1 – скорость продольной волны в иммерсионной среде; C1 is the longitudinal wave velocity in the immersion medium;
F – эффективная частота упругих колебаний;F is the effective frequency of elastic vibrations;
CR – скорость квазирэлеевской волны в материале объекта контроля. CR is the speed of the quasi-Rayleigh wave in the material of the control object.
Указанное условие обеспечивает последовательную «подпитку» ультразвуковой волны, распространяющейся вдоль поверхности объекта контроля, дополнительной энергией, которая компенсирует потери энергии волны на её переизлучение в иммерсионную жидкость. The specified condition provides a sequential "recharge" of the ultrasonic wave propagating along the surface of the test object with additional energy, which compensates for the energy loss of the wave due to its reradiation into the immersion liquid.
Дополнительно ширина D каждого пьезоэлемента в каждом ультразвуковом преобразователе должна соответствовать условию:Additionally, the width D of each piezoelectric element in each ultrasonic transducer must meet the condition:
D ≤ (C1/F)/ 2 x Sin dβ, где:D ≤ (C1 / F) / 2 x Sin dβ, where:
dβ – максимально-возможное отклонение угла, образованного нормалью к поверхности объекта контроля в зоне действия любого пьезоэлемента ультразвукового преобразователя и оптимальным углом падения β, рассчитываемым по формуле: β = Arcsin C1/CR.dβ is the maximum possible deviation of the angle formed by the normal to the surface of the test object in the area of action of any piezoelectric element of the ultrasonic transducer and the optimum angle of incidence β, calculated by the formula: β = Arcsin C1 / CR.
Принцип согласования плоской линейной решетки пьезоэлементов УП с криволинейной поверхностью объекта контроля показан на фиг. 2, на которой обозначены: 1 – пьезоэлемент №1; 8 - пьезоэлемент №8 (пьезоэлементы №2 – №7 на фиг. 2 не пронумерованы); 9 – подложка; 10 – эффективный спектр углов ультразвуковых лучей (2 x dβ), сформированных активными пьезоэлементами; 11 – объект контроля; 12 – иммерсионная среда; стрелками показаны импульсы квазирэлеевских волн, возбуждаемых пьезоэлементами 1 и 8; А – точка падения «эффективного» луча от пьезоэлемента 1 и, одновременно, начало зоны контроля, B - точка падения «эффективного» луча от пьезоэлемента 8, C – конец зоны контроля.The principle of matching a flat linear lattice of UE piezoelectric elements with a curved surface of a test object is shown in FIG. 2, on which are indicated: 1 - piezoelectric element No. 1; 8 - piezoelectric element No. 8 (piezoelectric elements No. 2 - No. 7 in Fig. 2 are not numbered); 9 - substrate; 10 is an effective spectrum of angles of ultrasonic rays (2 x dβ) formed by active piezoelectric elements; 11 - object of control; 12 - immersion medium; the arrows indicate the impulses of the quasi-Rayleigh waves excited by
Как видно на фиг. 2, каждый пьезоэлемент возбуждает и/или принимает ультразвук в некотором эффективном спектре 10, растр которого 2 x dβ зависит от волновых размеров D пьезоэлементов 1… 8.As seen in FIG. 2, each piezoelectric element excites and / or receives ultrasound in some
Половину угла dβ рабочего сектора одного пьезоэлемента определяют по известной формуле для диаграммы направленности пьезоэлемента в виде полоски:Half the angle dβ of the working sector of one piezoelectric element is determined by the well-known formula for the pattern of the piezoelectric element in the form of a strip:
Sin dβ ≤ (C1/F)/2D (4), где:Sin dβ ≤ (C1 / F) / 2D (4), where:
D – ширина пьезоэлемента;D is the width of the piezoelectric element;
dβ – максимально-возможное отклонение угла, образованного нормалью к поверхности объекта контроля в зоне действия ультразвукового преобразователя и оптимальным углом падения β, рассчитываемым по формуле: β= Arcsin C1/CR.dβ is the maximum possible deviation of the angle formed by the normal to the surface of the test object in the zone of operation of the ultrasonic transducer and the optimal angle of incidence β, calculated by the formula: β = Arcsin C1 / CR.
В случае, если плоская подложка 9, даже с учетом (4), не позволяет эффективно согласовать ультразвуковой преобразователь с поверхностью объекта контроля, целесообразно придать ей иную форму, например, цилиндрическую. Пьезоэлементы 1… 8 могут излучать и/или принимать по очереди, либо группами, например, по принципу фазированной решетки, предполагающему применение управляемых и контролируемых задержек в работе генераторов и/или приемников, соединенных с пьезоэлементами решетки.If the
Каждый пьезоэлемент 1… 8 в отдельности, а также вся совокупность пьезоэлементов в целом, способны возбуждать на поверхности объекта контроля упругие волны квазирэлеевского типа, которые, распространяясь вдоль поверхности объекта контроля, быстро теряют энергию за счет ее переизлучения в иммерсионную среду. В простейшем случае, когда пьезоэлементы излучают и принимают по очереди, вся зона апертуры от точки А (точка падения «эффективного» луча от пьезоэлемента 1 и, одновременно, начало зоны контроля), до точки C (конец зоны контроля) оказывается проконтролированной эхо-методом. Расстояние между точками В и С соизмеримо с проекцией отрезка длиной Н на поверхность объекта контроля, и ограничено интенсивностью переизлучения квазирэлеевской волны в иммерсионную жидкость.Each
Одновременная работа всех пьезоэлементов, или части пьезоэлементов, позволяет существенно ускорить процесс получения информации о состоянии объекта контроля между точками A и С. Для этого необходимо принять во внимание соотношение (3).The simultaneous operation of all piezoelectric elements, or parts of piezoelectric elements, can significantly accelerate the process of obtaining information about the state of the control object between points A and C. For this, it is necessary to take into account relation (3).
Расстояние Н между центрами соседних пьезоэлементов, должно удовлетворять условию (1):The distance H between the centers of adjacent piezoelectric elements must satisfy condition (1):
H = K x (CR/F) x Cos (Arcsin C1/CR), где:H = K x (CR / F) x Cos (Arcsin C1 / CR), where:
С1 – скорость продольной волны в иммерсионной среде;C1 is the longitudinal wave velocity in the immersion medium;
R – расстояние между ультразвуковым преобразователем и поверхностью объекта контроля; R is the distance between the ultrasonic transducer and the surface of the test object;
F – эффективная частота;F is the effective frequency;
K – коэффициент, оптимальное значение которого выбирают эмпирически, из диапазона K = 2 … 20.K - coefficient, the optimal value of which is chosen empirically, from the range K = 2 ... 20.
При выборе конкретного значения K руководствуются требуемой равномерностью чувствительности ультразвукового преобразователя к поверхностным дефектам, и имеющимся в наличии количеством независимых каналов обработки принимаемых сигналов.When choosing a specific value of K, they are guided by the required uniformity of sensitivity of the ultrasonic transducer to surface defects, and the number of independent channels for processing received signals available.
Чем меньше Н, и чем больше расстояние между ультразвуковым преобразователем и релевантной частью поверхности объекта контроля, тем равномернее чувствительность системы к дефектам поверхности объекта контроля. С другой стороны, при слишком малом значении Н количество каналов, а, следовательно, стоимость аппаратуры и системы обработки принимаемых сигналов, существенным образом возрастают, и могут превысить рамки разумного. Чрезмерное увеличение R приводит к снижению чувствительности и быстродействия системы ультразвукового контроля. Уменьшение значения R может привести к опасности повреждения ультразвукового преобразователя объектом контроля при его перемещении в зоне акустической системы.The smaller H, and the greater the distance between the ultrasound transducer and the relevant part of the surface of the test object, the more uniform the sensitivity of the system to surface defects of the test object. On the other hand, if the value of H is too small, the number of channels, and, consequently, the cost of the equipment and the processing system of the received signals, increase significantly, and can exceed the reasonable range. Excessive increase in R leads to a decrease in the sensitivity and speed of the ultrasonic control system. Decreasing the R value can lead to the risk of damage to the ultrasound transducer by the test object when it is moved in the area of the speaker system.
Как было указано выше, рабочая поверхность ультразвукового преобразователя может быть не только плоской, но и, например, цилиндрической. Согласование рабочей поверхности УП с объектом контроля в некоторых случаях может стать дополнительным средством повышения эффективности ультразвукового контроля и снижения объема дефектоскопической аппаратуры.As indicated above, the working surface of the ultrasonic transducer can be not only flat, but also, for example, cylindrical. In some cases, matching the working surface of the control unit with the test object can become an additional means of increasing the efficiency of ultrasonic testing and reducing the volume of flaw detection equipment.
За счет дополнительного программно-аппаратного компонента, заявляемое устройство позволяет осуществлять так же прием и анализ сигналов от продольных волн, распространяющихся в иммерсионной жидкости и непосредственно отражающихся от дефекта поверхности объекта контроля, без их трансформации в квазирэлеевские волны. Таким компонентом является, например, дополнительный строб, устанавливаемый на А-скане несколько левее основного строба, регистрирующего волны, обусловленные трансформацией по схеме: «продольная волна в иммерсионной жидкости - квазирэлеевская волна – дефект - квазирэлеевская волна - продольная волна в иммерсионной жидкости». Такой анализ позволяет получить дополнительный, независимый канал получения информации о состоянии поверхности объекта контроля, и тем самым в еще большей степени повысить надежность результатов ультразвукового контроля.Due to the additional hardware and software component, the claimed device also allows reception and analysis of signals from longitudinal waves propagating in immersion liquid and directly reflected from the surface defect of the test object, without their transformation into quasi-Rayleigh waves. Such a component is, for example, an additional gate installed on the A-scan a little to the left of the main gate, detecting the waves caused by the transformation according to the scheme: "a longitudinal wave in an immersion liquid - a quasi-Rayleigh wave - a defect - a quasirelele wave - a longitudinal wave in an immersion liquid". Such an analysis makes it possible to obtain an additional, independent channel for obtaining information about the state of the surface of the test object, and thereby to further increase the reliability of the results of ultrasonic testing.
Таким образом, с учетом применения описанных выше свойств и условий, заявляемое устройство обеспечивает возможность эффективного обнаружения поверхностных и подповерхностных дефектов, в том числе, в изделиях со сложным профилем, таких, как рельсы или сортовой прокат.Thus, taking into account the application of the above properties and conditions, the claimed device provides the ability to effectively detect surface and subsurface defects, including in products with a complex profile, such as rails or long products.
Claims (12)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020107882A RU2723913C1 (en) | 2020-02-21 | 2020-02-21 | Immersion ultrasonic testing device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020107882A RU2723913C1 (en) | 2020-02-21 | 2020-02-21 | Immersion ultrasonic testing device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2723913C1 true RU2723913C1 (en) | 2020-06-18 |
Family
ID=71095898
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020107882A RU2723913C1 (en) | 2020-02-21 | 2020-02-21 | Immersion ultrasonic testing device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2723913C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU205575U1 (en) * | 2021-04-19 | 2021-07-21 | Закрытое акционерное общество "Ультракрафт" (ЗАО "Ультракрафт") | DEVICE FOR NON-DESTRUCTIVE CONTROL |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU461348A1 (en) * | 1973-08-23 | 1975-02-25 | Каунасский Политехнический Институт Лит.Сср | The method of quality control of the surface layer of materials |
| US5767408A (en) * | 1996-09-27 | 1998-06-16 | Industrial Quality, Inc. | Method and system for obtaining near-surface characteristics of materials using ultrasonic Rayleigh waves |
| US5894092A (en) * | 1996-09-27 | 1999-04-13 | Industrial Quality, Inc. | Method and system for obtaining near-surface characteristics of materials using ultrasonic Rayleigh waves |
| RU46587U1 (en) * | 2005-03-10 | 2005-07-10 | Горделий Виталий Иванович | ACOUSTIC UNIT FOR DEFECTOSCOPE DEVICE |
| RU50953U1 (en) * | 2005-08-03 | 2006-01-27 | Виталий Иванович Горделий | INSTALLATION FOR NON-CONTACT NON-DESTRUCTIVE CONTROL OF MOBILE WHEELS IN MOTION (OPTIONS) |
-
2020
- 2020-02-21 RU RU2020107882A patent/RU2723913C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU461348A1 (en) * | 1973-08-23 | 1975-02-25 | Каунасский Политехнический Институт Лит.Сср | The method of quality control of the surface layer of materials |
| US5767408A (en) * | 1996-09-27 | 1998-06-16 | Industrial Quality, Inc. | Method and system for obtaining near-surface characteristics of materials using ultrasonic Rayleigh waves |
| US5894092A (en) * | 1996-09-27 | 1999-04-13 | Industrial Quality, Inc. | Method and system for obtaining near-surface characteristics of materials using ultrasonic Rayleigh waves |
| RU46587U1 (en) * | 2005-03-10 | 2005-07-10 | Горделий Виталий Иванович | ACOUSTIC UNIT FOR DEFECTOSCOPE DEVICE |
| RU50953U1 (en) * | 2005-08-03 | 2006-01-27 | Виталий Иванович Горделий | INSTALLATION FOR NON-CONTACT NON-DESTRUCTIVE CONTROL OF MOBILE WHEELS IN MOTION (OPTIONS) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU205575U1 (en) * | 2021-04-19 | 2021-07-21 | Закрытое акционерное общество "Ультракрафт" (ЗАО "Ультракрафт") | DEVICE FOR NON-DESTRUCTIVE CONTROL |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8037764B2 (en) | Device and method for the material testing and/or thickness measurements of a test object that contains at least fractions of electrically conductive and ferromagnetic material | |
| RU2413214C2 (en) | Apparatus for nondestructive inspection of ferromagnetic structural elements | |
| Ogi et al. | Line-focusing of ultrasonic SV wave by electromagnetic acoustic transducer | |
| US4307616A (en) | Signal processing technique for ultrasonic inspection | |
| CN110603442B (en) | Electromagnetic acoustic transducer (EMAT) for corrosion mapping | |
| RU2723913C1 (en) | Immersion ultrasonic testing device | |
| US20040239345A1 (en) | Measurement of coatings on metal | |
| Vinogradov et al. | Development of a novel omnidirectional magnetostrictive transducer for plate applications | |
| Aleshin et al. | Automatic ultrasonic inspection of large-diameter pipes | |
| NL2023174B1 (en) | Apparatus and method for pipeline inspection | |
| JP2005214686A (en) | Electromagnetic ultrasonic probe and ultrasonic flaw detection method | |
| JP3299505B2 (en) | Ultrasonic flaw detection method using magnetostriction effect | |
| JPH0587780A (en) | Method and apparatus for nondestructive inspection of metal pipe | |
| RU2153163C1 (en) | Method of intratube ultrasonic diagnostics of condition of pipe-line | |
| Gao et al. | Defect detection in the dead zone of magnetostrictive sensor for pipe monitoring | |
| KR102203609B1 (en) | Electromagnetic acoustic transducer and pipe inspection apparatus comprising the same | |
| JP4378019B2 (en) | Method of detecting deterioration of metal material by ultrasonic | |
| JP2016138873A (en) | Property evaluation device for electrical steel sheet, evaluation method therefor, and manufacturing system for electrical steel sheet and manufacturing method for electrical steel sheet | |
| Hamzehkanloo | Non-destructive inspection and analysis of hardened steel plates by ultrasonic test with backscatter technique | |
| US20240125742A1 (en) | Defect sizing combining fixed wavelength and variable wavelength guided waves | |
| Li et al. | Weld defect detection using high frequency SH guided wave transducers based on magnetostrictive mechanism | |
| Alers et al. | High frequency, angle beam EMATs for weld inspection | |
| Murayama et al. | Development of an electromagnetic acoustic transducer that can alternately drive the lamb wave and shear horizontal plate wave | |
| RU2263906C2 (en) | Device for diagnosing cavities in surface layer of ferromagnetic rolled stock | |
| Kazakov | Detection of a Crack and Determination of Its Position in a Plate by the Nonlinear Modulation Method Using Lamb Waves |