Неразрушающие методы контроля материалов. Учебное пособие

методами отражения и прохождения измеряют время пробега импульса в объекте контроля. Как правило, амплитуду прошедшего сигналаилиегофазунеизмеряют.Приконтролеметодомсобственных колебаний измеряют резонансные частоты.

Приведем три вида задач при измерении толщины.

1.Ручной контроль изделий с гладкими равноотстоящими (эквидистантными) поверхностями, например изделий после их изготовления.

2.Ручной контроль изделий с грубыми непараллельными поверхностями,напримеризделий,внутренняяповерхностькоторых поражена коррозией.

3.Автоматический контроль в потоке (обычно труб, листов). Прирешениизадач1и2основноетребование–высокаяточность

измерений.Прирешениизадачи3важноетребование–соблюдение высокойчувствительности,чтобыфиксироватьрассеянноеотражение от неровной противоположной поверхности, определять места наибольшего локального утонения стенок. Требования к точности измерения снижены. При ручном контроле нужно обеспечить широкийдиапазонизмерений,учитывая,чтоминимальноизмеряемую толщину трудно снизить. Результаты измерений необходимо представить в наглядной форме, например на цифровом табло.

На рис. 5.1, а показано изменение пути ультразвука при измерении РС-преобразователем объектов. Кривые на рис. 5.1, б соответствуют толщине призм из органического стекла h1 = 20 мм и расстоянию между центрами пластин 2g = 25 мм.

Приавтоматическомконтроленеобходимособлюдатьвысокую производительностьизмерений(т.е.выполнятьвозможнобольшее количествоизмеренийвединицувремени)иследитьзатем,чтобы толщина была не меньше и не больше заданного допуска.

Сформулированныезадачиразличныпосодержанию,поэтому их решают с применением разных способов измерений и разных толщиномеров.

Эхометод – основной способ измерения толщины, применяемыйврешениивсехтрехвидовзадач,представленныхранее.Рассмотрим подробнее его возможности и ограничения.

51

Если измерение проводят в контактном варианте, по первому донному сигналу толщину h определяют согласно формуле

h = 0,5C(t – ts),

гдеС –скоростьраспространенияультразвукавматериалеобъек- та, которая считается известной или учитывается при настройке; t – измеряемое при контроле время прохождения ультразвукового импульса от пьезоэлемента излучающего преобразователя до дна ОК и затем к приемнику; ts – время прохождения импульса в прямом и обратном направлениях через акустические задержки (призмы или протекторы и слой контактной жидкости), которое учитывают при настройке толщиномера способом введения задержки начала отсчета времени.

Чаще применяют раздельно-совмещенный преобразователь с призмами, имеющий малую мертвую зону.

Толщиномер с контактным РС-преобразователем позволяет решатьвсетрипредставленныезадачи.Оннезаменимприрешении задачи3,т.е.приконтролеобъектовснеровнымиповерхностями, особенно неровной внутренней поверхностью. Мешающий сигнал – импульс с небольшой амплитудой, проходящий между из- лучателемиприемникомРС-преобразователя.Времяегопрохож- дения соответствует толщинам 0,5–1 мм по стали. Для измерения малых толщин порог срабатывания толщиномера устанавливают выше амплитуды мешающего импульса.

ДругиенедостаткиизмерениятолщиныРС-преобразователем– задержкаультразвукавпризмахпреобразователяинаклонноераспространение ультразвука в ОК (рис. 5.1, а). В результате измеряемая толщина и время пробега ультразвукового импульса связаны болеесложнойзакономерностью(рис.5.1, б).Амплитудаэхосигнала изменяется, достигая максимума для толщины, соответствующей фокальномурасстояниюпреобразователя.Егорекомендуетсяориентировать таким образом, чтобы, например, при контроле труб излучатель и приемник располагались вдоль образующей.

У совмещенного преобразователя практически строгая линейность зависимости времени задержки эхосигналов зависит

52

0 10 20 30 40 h, мм

Рис. 5.1. Геометрическая схема измерения толщины ультразвуковым толщиномером (а) и график зависимости времени от толщины (б)

от толщины материала, менее резкая зависимость амплитуды сигналов–оттолщины,лучшаячувствительностьвдальнейзоне и большая протяженность ближней зоны акустического поля в сравнении с РС-преобразователем аналогичных размеров. Совмещенныйпреобразовательнецелесообразноориентироватьпо отношению к образующей цилиндрического изделия, он менее чувствителен к уменьшению площади акустического контакта при контроле изделий с двойной кривизной, в этом случае измерения легче выполнить с малой апертурой для повышения локальности.

Толщиномер БУЛАТ-2 предназначен для измерения толщины:

– изделий из конструкционных металлических сплавов и изотропныхнеметаллическихматериаловприодностороннемдоступе к ним с использованием преобразователей серии П112;

53

–металлическихферромагнитныхинеферромагнитныхизделий под защитными лакокрасочными покрытиями с использованием преобразователей ТМК.

Втолщиномереиспользуетсяконтактныйакустическийспособ

сприжимом контактной поверхности преобразователя к поверхности контролируемого изделия без сканирования или со сканированием в режиме поиска минимума.

Устройство и работа. Толщиномер состоит из блока обработки информации (рис. 5.2) и преобразователей серий П112 (раздель- но-совмещенные) и ТМК (комбинированные).

ПринципработытолщиномераспреобразователямисерийП112 основаннаультразвуковомимпульсномэхометодеизмерения,которыйиспользуетсвойстваультразвуковыхколебаний(УЗК),которые отражаются от границы раздела сред с разными акустическими сопротивлениями.

Установочная

мера

Рис. 5.2. Ультразвуковой толщиномер БУЛАТ-2

54

Блокобработкиинформациитолщиномеравырабатываетзапус- кающийимпульс,подаваемыйнаизлучающуюпластинуакустическогопреобразователя,котораяизлучаетимпульсУЗКчерезлинию задержкивизделие.ИмпульсУЗКраспространяетсядовнутренней поверхностиизделия,отражаетсяотнее,распространяетсявпротивоположномнаправлениии,пройдялиниюзадержки,принимается приемной пластиной. Время распространения УЗК однозначно связано с толщиной изделия h. Принятый импульс усиливается и подаетсянавходблокаобработкиинформации,которыйформирует цифровой код N, пропорциональный времени распространения импульса в изделии с учетом времени распространения в линиях задержки,затемвстроенныйпроцессорвычисляетh.Вычисленное значениеhиндицируетсянаиндикаторе,иприналичииакустического контакта преобразователя с изделием индицируется метка «АК.КОНТ».

Преобразователи ультразвуковые раздельно-совмещенного типаП112обеспечиваютизмерениетолщинывдиапазонеот0,4до 300мм.Вкачествематериалалинийзадержкииспользуютсяполиамид,композитныематериалы,кварцевоестекло,оргстекло,способствующиеповышеннойизносоустойчивостипреобразователей ишероховатыхизделийсР2до320мкм.Излучающаяповерхность преобразователя – плоская, круглой или прямоугольной формы.

Преобразователи серии ТМК имеют комбинированную схему.

Вих состав входит:

–ультразвуковойпреобразовательУП,конструкцияипринцип работы которого аналогичны конструкции и принципу работы преобразователя П112;

–преобразователь – измеритель толщины покрытия. Конструкция толщиномера включает в себя блок обработки

информации и подсоединяемые с помощью разъемов преобразователей. Разъемные соединения расположены на торцевой поверхности корпуса; органы управления – на передней панели, на которойтакжерасположеныцифровойиндикаториустановочная мера. В нижней части корпуса толщиномера под крышкой находится отсек, в который устанавливаются две батареи типа АА.

55

Для переноски толщиномера предназначен съемный держатель, крепящийся к торцевой крышке съемным винтом.

Надпись«ОСН»–основнойрежимработытолщиномера(при- бор переходит в данный режим после включения).

Вэтомрежимепроводятсяизмерения,выполняютсяустановка нуляикалибровка,осуществляетсязаданиекоэффициентаусиления и производится запись результатов в память.

Переходизодногорежимаработывдругойосуществляетсянажатием кнопки «РЕЖИМ», вход в выбранный режим – нажатием кнопки «И».

Краткое описание дополнительных режимов работы:

–Зд – режим задания дискретности измерения;

–ЗС – режим задания/чтения скорости ультразвука;

–ЧП – режим чтения памяти;

–РС – режим связи с компьютером;

–ПОдС – режим включения/выключения подсветки индика-

тора;

–ЬЬ – режим задания времени выключения;

–дtП–режимизмеренияиустановкинуляпреобразователя– измерителя толщины покрытия комбинированных преобразователей ТМК.

Приведем описания предназначения каждой кнопки клавиатуры.

1.«КАЛИБР»–кнопкадляразрешенияпроведениякалибровки толщиномера на контрольных образцах.

2. «ПАМЯТЬ» – кнопка для разрешения работы с памятью (запись результатов измерения в память прибора).

3. «ГРУППА» – кнопка для открытия нового блока (группы) при работе с памятью.

4. «Д» – многофункциональная кнопка, которая используется:

–при работе с памятью для записи результатов в память с увеличением номера ячейки памяти на единицу;

–в остальных режимах (Зд, ЗС, ЬЬ, калибровка и задание усиления) увеличение измеряемого (корректируемого) параметра.

56

5. V – многофункциональная кнопка, которая используется:

–приработеспамятьюдлязаписирезультатоввячейкупоследнего результата измерения, записанного в память;

–в остальных режимах (Зд, ЗС, ЬЬ, калибровка и задание усиления) уменьшение измеряемого (корректируемого) параметра.

6. «НОЛЬ» – кнопка установки нуля ультразвукового преобразователявосновномизмерительномрежимеОСНиустановкинуля преобразователя-измерителятолщиныпокрытиядлякомбиниро- ванных преобразователей ТМК в режиме дtП.

7. MIN – кнопка включения (выключения) функции работы прибора с фиксацией минимума показаний в основном измерительном режиме ОСН.

8. «РЕЖИМ» – кнопка вызова дополнительных режимов. При нажатиииудержанииэтойкнопкинаиндикаторпоследовательно выдаютсяназваниярежимов:ОСН→Зд→ЗС→ЧП→РС→ПОдС→

→ЬЬ→дtП.Переключениережимовосуществляетсяданнойкнопкой; вход в режим – кнопкой «←» (подтверждение выбора); выход из выбранного режима – кнопкой «РЕЖИМ».

9. «УСИЛ» – кнопка, выполняющая функцию включения (выключения) режима задания коэффициента усиления в основном измерительном режиме ОСН.

10. «ВКЛ» – кнопка включения (выключения) прибора. Приведем описания предназначения каждой служебной метки

индикатора.

1. АК.КОНТ. – метка, сообщающая о наличии акустического контакта (приходе отраженного ультразвукового эхоимпульса в прибор).

2. MIN – метка, свидетельствующая о работе толщиномера в режиме фиксации минимума показаний.

3.ПАМЯТЬ–метка,свидетельствующаяотом,чтоработаспа- мятью результатов измерения разрешена.

4.КАЛИБР–метка,свидетельствующаяотом,чтопроведение операциикалибровки(настройкинаскоростьультразвукапоконтрольным образцам) разрешено.

57

5.2. Порядок проведения измерений

Распознаваниетипаподключенногопреобразователяиеготестиро-

вание.Подготовитьтолщиномеркработеивключитьегонажатием накнопкуВКЛ.Послеэтогонаиндикаторетолщиномерапоявится сообщение с номером версии программного обеспечения и кратковременно отобразится сообщение:

,

гдехх–числовдиапазоне00–14,котороеобозначаеткодподклю- ченного преобразователя.

После тестирования, в зависимости от типа подключенного преобразователя, на индикатор поступят следующие сообщения.

1.ЕсликтолщиномеруподключенультразвуковойпреобразовательтипаП112илитипаТМК,тоиндикаторотобразитсообщение

,

котороеозначает,чтотолщиномерготовкработесподключенным преобразователем.

2. Если преобразователь к толщиномеру не подключен, то индикатор отобразит сообщение

.

Установка нуля ультразвукового преобразователя. Во избежание влияниявременипрохожденияультразвуковыхколебанийвлиниях задержкинарезультатизмерениятолщиныизделияhпередначалом измерений следует установить нуль подключенного преобразователя и соблюдать последовательность действий:

–нанести на вмонтированную в корпус толщиномера установочную меру слой контактной смазки;

–установить преобразователь контактной поверхностью на установочную меру и плотно прижать его;

58

–нажатьнакнопку«НОЛЬ»,послечегонаиндикаторпоступит сообщение

,

а затем

.

После этого будет произведено измерение и компенсировано влияние времени пробега ультразвуковых колебаний в линиях задержки.

Затем на индикаторе отобразится измеренное значение ультразвуковой толщины установочной меры для заданной скорости ультразвука(дляскорости5920м/споказания6,00±0,05мм).При выполненииоперацийподанномупунктупреобразовательдолжен быть постоянно прижат к установочной мере.

Калибровка толщиномера. Для того чтобы показания толщиномера соответствовали реальным значениям толщины изделия, необходимо производить его калибровку. Калибровка толщиномера возможна в двух вариантах: по контрольным образцам и по скорости ультразвука.

Калибровка толщиномера по контрольным образцам производится при контроле изделий с неизвестной скоростью ультразвука или при необходимости проведения измерений с высокой точностью.

Таким образом, необходимо соблюдать следующий порядок действий:

–подготовитьконтрольныеобразцыпродукции,изготовленные изматериалаипотехнологии,аналогичнымматериалуитехнологии

59

подлежащихконтролюизделий,произвестиихаттестациюпотолщине в заданных точках;

–подготовить толщиномер к работе;

–установить нуль в соответствии с типом подключенного преобразователя;

–нажать кнопку «КАЛИБР», при этом на индикаторе должна отобразиться метка КАЛИБР;

–установить преобразователь на аттестованный по толщине и предварительно смазанный контактной жидкостью участок контрольного образца до появления метки АК.КОНТ и индикации показаний толщины h;

–с использованием кнопок «∆» и «V» добиться появления показания h на индикаторе толщиномера, эквивалентного ультразвуковой толщине контрольного образца;

–нажатькнопку«КАЛИБР»длявыходаизрежимакалибровки толщиномера (метка КАЛИБР должна погаснуть);

–нажатьнакнопку«РЕЖИМ»иудерживатьеедопоявленияна индикаторе метки ЗС, для того чтобы узнать скорость ультразвука

вконтрольном образце;

–нажать на кнопку «←» (на индикаторе отобразится значение скорости ультразвука в материале контрольного образца, на которомбылапроведенакалибровкатолщиномеравм/сикотороебудет при выключении прибора сохранено в памяти).

Значение скорости ультразвука в материале контрольного образца рекомендуется записать в рабочую тетрадь при калибровке толщиномера по скорости для контроля изделий из аналогичного материала.

Калибровка толщиномера по скорости ультразвука производится в случае, когда известно ее значение в материале изделий, подлежащих контролю.

Запоминание определенного значения скорости производится автоматически при выходе из данного режима нажатием кнопки «РЕЖИМ».

Для более полного ознакомления с работой УЗ толщиномера БУЛАТ-2 следует использовать инструкцию по эксплуатации.

60