О применимости технологии антенных решеток в решении задач УЗК - Неразрушающий контроль | Форум Дефектоскопист
Неразрушающий контроль | Форум Дефектоскопист Territoriya_NDT
Вернуться   Неразрушающий контроль | Форум Дефектоскопист > Форум Дефектоскопист > Статьи о дефектоскопии


Старый 22.08.2015, 23:27   #1
В мире НК
Бывалый
 
Аватар для В мире НК
 
Регистрация: 10.06.2013
Сообщений: 268
Благодарил(а): 0 раз(а)
Поблагодарили: 11 раз(а)
Записей в дневнике: 1
Репутация: 15
По умолчанию О применимости технологии антенных решеток в решении задач УЗК

О применимости технологии антенных решеток в решении задач УЗК опасных производственных объектов

Об авторах

Сотрудники Института неразрушающих методов исследования металлов ОАО НПО «ЦНИИТМАШ», г. Москва:



Воронков Вадим Александрович
Заместитель директора, к. т. н.,
III уровень по УЗк и ВИК

Воронков Илья Вадимович
Младший научный сотрудник,
II уровень по УЗК

Сотрудники ООО «Акустические Контрольные Системы», г. Москва:



Козлов Владимир Николаевич
Зам. директора по метрологии и качеству продукции, к. т. н.

Самокрутов Андрей Анатольевич
Генеральный директор, д. т. н.,
III уровень по акустическому и магнитному видам НК



Шевалдыкин Виктор Гавриилович
Заместитель директора по научной работе, д. т. н.


На современном этапе развития ультразвуковой дефектоскопической науки и техники явно прослеживается тенденция к расширению круга задач, решения которых основываются на применении фазированных антенных решеток (ФР), что вызвано как требованиями практики, так и естественным развитием техники. Это видно хотя бы при анализе докладов на всех крупнейших международных конференциях за последние 10 лет: доля докладов по тематике ФР составляет от 10 до 30 %. Аналогичная ситуация имеет место и в тематике ведущих журналов по НК: практически в каждом выпуске имеются статьи, касающиеся ФР. В настоящее время для уважающего себя специалиста по УЗК считается хорошим тоном быть сопричастным к тематике ФР - некоторые ведущие фирмы-производители средств ультразвуковой дефектоскопии пополнили свою номенклатуру дефектоскопами с возможностями использования ФР. Среди них - «OmniScan» фирмы Olympus, «Phasor XS» фирмы GE Inspection Technologies, «Х-32» фирмы Harfang Microtechniques, «А1550 IntroVisor» фирмы «АКС», «Isonic 2009 UPA-Scope» фирмы Sonotron NDT, «veo» фирмы Sonatest Ltd. Впечатление массового проникновения технологии ФР в практику УЗК создают также появляющиеся высказывания (в статьях, докладах, рекламных проспектах) о скором вытеснении традиционных дефектоскопов приборами с ФР.

Однако приходится констатировать тот факт, что в последнем случае авторы таких суждений явно поторопились. При внедрении технологии ФР в практику разработчики столкнулись с трудностями реализаций некоторых требований, предъявляемых к традиционным методам УЗК [1 - 7]. И эти требования, прежде всего, связаны с процессами поиска и анализа дефектов, на которые уходит до 90 % временных трудозатрат. Поясним более подробно.

Во-первых, это круг проблем, связанных со сканированием. При использовании монопреобразователя сканирование осуществляется поперечно-продольным способом, а именно: в направлении, перпендикулярном оси сварного шва, происходит непрерывное перемещение преобразователя, а в направлении, параллельном оси сварного шва, - пошаговое перемещение. В технологии ФР в большинстве случаев предлагается поперечное сканирование заменить электронным в двух вариантах: в первом - при фиксированном угле ввода точка выхода луча электронным способом перемещается в пределах удлиненной апертуры ФР (L-скан); во втором - при варьировании угла ввода (S-скан) в широких пределах (например, от 40 до 70°) зона охвата ультразвуковым лучом расширяется в плоскости падения луча. Более сложные виды поперечного сканирования, в частности, тандемноподобное [24], основаны на сочетании этих простых видов. Но оказалось, что такие замены не являются полноценными.

В первом случае полноценная замена поперечного сканирования L-сканом возможна при длине апертуры Lап, равной длине траектории поперечного сканирования монопреобразователя, а эта величина пропорциональна толщине шва и тангенсу угла ввода. Например, при угле ввода 64° для толщины 50 мм Lап = 100 мм при контроле прямым лучом и 200 мм - при контроле прямым и отраженным лучом. Очевидно, что призма ФР с такими размерами рабочей поверхности не имеет перспектив практического применения (особенно в условиях монтажа и эксплуатации) вследствие неидеальной гладкости поверхности сканирования. Ее применение возможно лишь на гладких и плоских поверхностях металла в условиях производства.

Во втором случае полноценная замена поперечного сканирования секторным (S-сканом) принципиально возможна только тогда, когда зона охвата составляет диапазон от 0 до 90°. Но так как в известных нам дефектоскопах с ФР технически реализуемый диапазон составляет не более 35° (от 40 до 75°), то есть зона охвата составляет менее половины требуемого объема контроля, то и в этом случае равноценной замены поперечному сканированию мы не достигаем.

Второй круг проблем связан с требованиями нормативно-технической документации (НТД) [1 - 7] по обеспечению одинаковой чувствительности поиска во всем объеме контролируемого пространства. Эта чувствительность называется уровнем фиксации или контрольным уровнем и определяется чувствительностью дефектоскопа к отражательной способности торца плоскодонного отверстия заданной площади (например, 5 мм2). Смысл введения ее в НТД состоит в установлении четкой границы, начиная с которой мы фиксируем обнаруженный отражатель с целью сопоставления его с нормативными требованиями; если же размер отражателя не достигает этой границы, то принимается однозначное решение об отсутствии дефекта. Инструментом для обеспечения заданной чувствительности контроля в традиционных методах УЗК являются АРД-диаграммы [8 - 10]. В современных дефектоскопах АРД-диаграммы (AVG, DGS) строятся на экране индикатора электронным способом, или же чувствительность выравнивается с помощью системы ВРЧ (TCG).

Для того, чтобы соблюдалась преемственность при переходе от традиционных методов УЗК к технологии ФР, необходимо обеспечить выполнение требований НТД в отношении А-сканов, из которых и формируются соответствующие изображения в виде L- и S-сканов. Однако в процессе технической реализации именно этих требований разработчики столкнулись с непреодолимыми трудностями, из-за которых до сих пор не удалось провести полноценную замену традиционных методов УЗК на технологию ФР в отношении опасных производственных объектов. Ни одна из многочисленных методических разработок, вышедших за последние 20 лет, не нашла признания в таких авторитетнейших организациях по стандартизации, как ASME, ASTM, API (США), в международных стандартах ISO, EN, а также в национальных стандартах Японии и России (ГОСТ-Р) [11].
Изображения
Тип файла: jpg 00.jpg (11.2 Кб, 127 просмотров)
Тип файла: jpg 01.jpg (10.5 Кб, 124 просмотров)
Тип файла: jpg 02.jpg (6.9 Кб, 125 просмотров)
В мире НК вне форума   Ответить с цитированием
Старый 22.08.2015, 23:31   #2
В мире НК
Бывалый
 
Аватар для В мире НК
 
Регистрация: 10.06.2013
Сообщений: 268
Благодарил(а): 0 раз(а)
Поблагодарили: 11 раз(а)
Записей в дневнике: 1
Репутация: 15
По умолчанию

По этой причине указанные организации долгое время не решались сформулировать основные требования к методикам и аппаратуре на ФР - возможности известных приборов явно не дотягивали до минимально необходимого уровня выполнения всех требований, изложенных в основополагающих стандартах: EN 583 (Pt. 1 - 6), EN 1712, EN 1713, EN 1714, ASME Section T-530 [12 - 21]. Первый стандарт, посвященный средствам УЗК на ФР, появился лишь в 2008 г. - ASTM E 2491-08 [22]. В нем сформулированы основные требования к аппаратуре, среди которых отметим следующие:

1. Должна быть предусмотрена угловая коррекция, выравнивающая чувствительность во всем диапазоне контролируемого пространства. Интересно, что здесь же указано на имеющиеся технические ограничения в выполнении этого требования, - видимо, авторы стандарта адекватно оценили реальный уровень развития современной дефектоскопической аппаратуры.



Рис. 1. Калибровочный образец с боковыми отверстиями, расположенными на одинаковом расстоянии от точки выхода луча

2. Для проверки равномерности чувствительности предлагаются два калибровочных образца с боковыми цилиндрическими отверстиями. В зависимости от назначения они могут располагаться либо на одинаковом расстоянии от точки выхода луча (рис. 1), либо в вертикальной или в горизонтальной плоскостях (рис. 2). Ввиду того, что в отечественных методиках настройка чувствительности производится по локальным отражателям (плоскодонное отверстие, зарубка, сегментный отражатель), для наших целей следует добавить аналогичные образцы с плоскодонными отверстиями (рис. 3, 4).



Рис. 2. Калибровочный образец с боковыми отверстиями, расположенными в вертикальной и горизонтальной плоскостях



Рис. 3. Калибровочный образец с плоскодонными отверстиями, расположенными в горизонтальной плоскости



Рис. 4. Калибровочный образец с плоскодонными отверстиями, расположенными в вертикальной плоскости

Годом позже появился стандарт ASTM E 2700-09 [23], в котором сформулированы основные требования к технологии ФР, применяемой в УЗК сварных соединений. В пункте 5.4 отмечаются преимущества использования ФР:

- сокращение времени сканирования за счет замены серии последовательных операций сканирования преобразователями с фиксированными углами одной операцией сканирования преобразователем с ФР с необходимым диапазоном углов (S-скан);

- визуализация обнаруженной несплошности с локализацией ее в конкретной области контролируемого объекта;

- возможность накопления и архивирования результатов контроля.

Далее в пункте 10.4 подчеркивается, что корректное использование цветовой калибровки распределения амплитуд в L- и S-сканах возможно после предварительного выравнивания чувствительности к калибровочным отражателям. Это означает, что от равноразмерных отражателей одного типа, расположенных в любой точке контролируемого пространства, должны приходить эхо-сигналы с одинаковой амплитудой. Инструментом выравнивания амплитуд служит система ВРЧ (TCG).

Появление указанных стандартов в какой-то степени подвело черту в многолетних исканиях и попытках определить роль и статус технологий ФР и одновременно поставило ряд задач перед разработчиками для адаптации их к сложившейся практике УЗК.

Здесь хотелось бы высказать свою версию объяснения той парадоксальной ситуации, когда многолетнее (около 20 лет) интенсивное развитие технологий ФР применительно к техническим объектам не позволило создать хотя бы одну технологически и экономически эффективную методику УЗК опасных объектов, имеющую необходимый статус и полностью заменяющую традиционные методы УЗК. Основная причина - неправильно выбранная стратегия развития. Дело в том, что основные наработки в аппаратуре и программном обеспечении систем с ФР были выполнены в соответствии с задачами медицинского назначения (в так называемых УЗИ - ультразвуковых исследованиях) [24]. И в какой-то момент времени появилась соблазнительная идея: весь медицинский опыт с минимальными изменениями перенести на технические объекты. При этом принципиальные различия между техническими и медицинскими требованиями зачастую либо не учитывались, либо недооценивались должным образом.

В чем состоят эти различия?

При медицинских УЗИ длины волн ультразвука, как правило, в несколько раз меньше размеров структурных деталей органов пациента, интересующих врача, тогда как длины волн в металлах соизмеримы и могут превышать размеры опасных несплошностей.

Границы раздела биологических тканей слабо выражены из-за малых отличий их удельных волновых сопротивлений. В металлах волновые сопротивления на границах несплошностей отличаются в десятки раз.

Затухание продольных волн в тканях намного выше, чем в металлах. Поперечные волны практически отсутствуют. Затухание как продольных, так и поперечных волн в металлах для низколегированных и малоуглеродистых сталей относительно невелико.

Кроме того, в медицине УЗИ используются как инструмент в руках врача при диагностике внутренних органов на предмет наличия в них патологии. При этом отсутствуют нормативные требования получения однозначного гарантированного результата: очень часто заключения УЗИ, выполненные разными врачами, сильно отличаются друг от друга. Основная цель лечащего врача - по результатам комплексной диагностики пациента (среди них УЗИ - далеко не главный метод) определить состояние здоровья для выбора оптимального курса лечения. При этом врач имеет законное право принимать частично или совсем не принимать во внимание результаты УЗИ (например, отсутствие показаний УЗИ не гарантирует отсутствие патологии и наоборот).

Таким образом, для врача УЗИ является вспомогательным методом, и для того, чтобы усилить привлекательность метода, разработчики вынуждены были развивать технические возможности аппаратуры в направлении улучшения качества изображения (усиление контрастности) и увеличения разрешающей способности изображения. Заметим также, что врач никогда не осуществляет поиск методом сканирования, так как все объекты, представляющие предмет его внимания, заранее определены.
Изображения
Тип файла: jpg 1.jpg (70.1 Кб, 133 просмотров)
Тип файла: jpg 2.jpg (96.3 Кб, 132 просмотров)
Тип файла: jpg 3.jpg (36.1 Кб, 125 просмотров)
Тип файла: jpg 4.jpg (97.2 Кб, 132 просмотров)
В мире НК вне форума   Ответить с цитированием
Старый 22.08.2015, 23:33   #3
В мире НК
Бывалый
 
Аватар для В мире НК
 
Регистрация: 10.06.2013
Сообщений: 268
Благодарил(а): 0 раз(а)
Поблагодарили: 11 раз(а)
Записей в дневнике: 1
Репутация: 15
По умолчанию

При УЗК объектов производственно-технического назначения имеются принципиальные отличия в условиях и в результатах контроля:

- первичной и обязательной процедурой является поиск дефектов, который выполняется путем сканирования (механического или электронного) по поверхности объекта контроля (ОК);

- в отличие от тела человека, ОК - твердая среда, имеющая сдвиговую упругость, что обусловливает наличие нескольких типов волн и приводит к усложнению условий контроля и интерпретации его результатов;

- основной характеристикой контроля является амплитуда эхо-сигнала от обнаруженных несплошностей, на основе которой выполняется анализ и дефектация.

Очевидно, что современные дефектоскопы с ФР обеспечивают решение задачи поиска дефектов, а в случае, когда механическое перемещение преобразователя заменяется электронным, процесс поиска упрощается и становится более производительным. Но, в отличие от медицинских УЗИ, при производственно-техническом контроле требуется другая методология оценки результатов контроля.

Принципиальным моментом здесь является то, что дефектоскопы с ФР физически не могут обеспечить прямое измерение малоразмерных несплошностей по ультразвуковому изображению, а в соответствии с типовыми требованиями НТД размеры несплошностей, подлежащих обнаружению и отбраковке, как правило, соизмеримы с длиной волны используемых ультразвуковых колебаний. Поэтому оценку их эквивалентных и условных размеров можно осуществить только на основе измерения амплитуды эхо-сигнала от неоднородности, как это и выполняется в традиционных методиках УЗК. Соответственно, при таком подходе дефектоскоп с ФР должен обеспечивать метрологическую однозначность и воспроизводимость результатов измерения амплитуд эхо-сигналов во всей визуализируемой области, что в настоящее время не достигается. И причины этого в самом принципе действия систем с ФР.

Физически этот принцип мало отличается от действия традиционного эхо-импульсного дефектоскопа. Тот же остронаправленный или фокусированный пучок, те же углы ввода, те же схемы прозвучивания и сканирования. Только механическое сканирование контролируемого сечения заменено электронным с качанием луча. Но эта замена, как уже сказано, неполноценная. Кроме этого необходимо отметить следующие эффекты:

- изменение эффективной площади апертуры ФР, смещение точки выхода центрального луча и изменение пути ультразвука в преломляющей призме при секторном сканировании;

- изменение пути ультразвука в призме при линейном сканировании. Эти изменения влияют на чувствительность контроля и их необходимо учитывать при калибровке аппаратуры [22, 25]. Но не во всех известных приборах с ФР это предусмотрено.

Еще один более серьезный недостаток систем с ФР - это вынужденная ограниченность количества применяемых фокальных законов, следствием которой является неравномерность чувствительности прибора по полю изображения.

В рекламной и сопроводительной документации на приборы с ФР приводится количество возможных фокальных законов. Обычно их от нескольких десятков и сотен до нескольких тысяч. На первый взгляд - много. Но предположим снова, что мы контролируем стыковой сварной шов толщиной 50 мм. Для визуализации его поперечного сечения с околошовной зоной нужно, чтобы зона равномерной калиброванной чувствительности прибора в этом сечении была приблизительно 50 х 80 мм. При шаге визуализации 1 мм для этого нужно использовать 4000 фокальных законов. При этом изображение будет получено после 4000 посылок зондирующих импульсов. Если даже зондировать с частотой 4 кГц (что часто недопустимо из-за реверберации волн в объекте), то смена изображений на экране будет происходить с частотой 1 Гц, что недостаточно для практического применения, т. к. производительность визуализации должна быть не менее 20 - 30 кадров в секунду.

Поэтому для получения приемлемой частоты обновления экранного изображения в каждом режиме работы прибора на ФР обычно используется намного меньшее число фокальных законов (не более ста). И, как следствие, в изображении только небольшая зона воспроизводится с максимальной чувствительностью к отражателям и наилучшим пространственным разрешением. Вне этой зоны характеристики хуже, и чем дальше от зоны, тем еще хуже. Если откалибровать прибор по чувствительности (по контрольному уровню) в пределах зоны наилучшего качества изображения, то вне зоны калибровка не будет выполняться. Да и в пределах зоны она непостоянна, т. к. в идеале она выполняется только для точек, в которые сфокусирован пучок. А эти точки, согласно стандартным режимам приборов, обычно лежат либо на постоянной глубине Z, либо на постоянной дальности L вдоль поверхности объекта контроля, либо на постоянной дальности D по лучу. Для этих точек и проверяют равномерность чувствительности по калибровочным образцам (рис. 1 - 4). А какова чувствительность, например, в 10 мм правее или глубже зоны фокусировки, неизвестно. Рис. 5 иллюстрирует один из таких случаев.



Рис. 5. Работа дефектоскопа с ФР в режиме секторного сканирования с фокусировкой на постоянную дальность L вдоль поверхности объекта

Получается, что изображение, которое предоставляет контролеру система с ФР (бесспорно наглядное и удобное для восприятия), не имеет однозначного соответствия между размерами малого (но возможно опасного) отражателя и цветом его образа на экране. Главные характеристики аппаратуры находятся в жестком противоречии с ее быстродействием.

Таким образом, аппаратура на ФР годится только для красивого отображения дефектов на экране? А для нормативной оценки их параметров без традиционной А-развертки не обойтись?

Необходимость посылок зондирующих импульсов для каждого фокального закона является обязательным условием работы системы с ФР. Если в ущерб быстродействию использовать столько фокальных законов, сколько точек пространства визуализирует аппаратура, т. е. для получения изображения последовательно сфокусировать решетку в каждую визуализируемую точку, то, кроме наивысшего качества всего поля изображения (предельно возможной чувствительности и разрешающей способности), появится возможность выровнять чувствительность системы в интересующей нас зоне.

Очевидно, что степень фокусировки пучка не может быть одинаковой в разных точках пространства. Она зависит от угла, под которым видна апертура решетки из точки фокусировки. И если фокусировка выполнена в каждую точку пространства, то можно усилением сигнала скомпенсировать неизбежные различия. Для этого нужно запомнить уровни сигналов от одинаковых отражателей в разных точках интересующей нас зоны пространства и вычислить компенсирующую функцию, которую затем применить в системе выравнивания чувствительности. Можно назвать ее системой пространственной регулировки чувствительности (ПРЧ). При использовании фокусировки пучка компенсирующая функция может быть однозначно определена либо расчетным путем, либо путем калибровки.

Вполне возможно, что зона постоянной чувствительности к одинаковым отражателям не будет охватывать все визуализируемое пространство, но охватит значительную его часть, достаточную для проведения контроля. Например, для упомянутого случая контроля сварного шва толщиной 50 мм зона 50 х 80 мм может составлять половину или одну треть от площади всего визуализируемого сечения. Точнее соответствующая ей прямоугольная часть изображения от всего изображения на экране.

Заметим, что, без фокусировки пучка решетки в каждую точку пространства система ПРЧ не применима потому, что отражатели, не попавшие в фокус решетки, дают недетерминированный уровень образа на экране. Этот уровень неоднозначно зависит от расположения образа относительно зоны точной фокусировки, что не позволяет использовать расчетный метод определения функции ПРЧ. Применение же калибровки затруднительно, т. к. изменение любого параметра в настройках дефектоскопа на ФР требует повторного выполнения процедур калибровки, что трудноосуществимо в реальных условиях.

Итак, видно, что аппаратура с ФР могла бы отвечать требованиям НТД в части заданной чувствительности поиска при условиях работы с достаточно большим числом фокальных законов и использования системы ПРЧ. Однако медленная смена изображений на экране закрывает такую возможность. Преодолеть это препятствие можно, если отказаться от фазирования решетки в момент посылки зондирующего сигнала в ОК.

При зондировании все элементы ФР (или активной группы элементов, например, 16 из 64 элементов) излучают акустические импульсы с некоторыми взаимными временными задержками, благодаря которым происходит фокусировка импульсов в выбранную точку пространства. Эти взаимные задержки заданы фокальным законом для данной точки пространства [25]. В процессе приема сигналов применяется тот же фокальный закон, который, благодаря таким же взаимным задержкам сигналов в приемных каналах, обеспечивает синфазное суммирование эхо-сигналов из той же точки пространства. Очевидно, что каждый элемент ФР (активной группы) работает независимо от других элементов. Полезным эффектом от их совместной работы является сумма эхо-сигналов, пришедших из точки фокусировки в ОК.

Но для того, чтобы получить эту сумму, не обязательно зондировать и принимать сигналы всеми элементами решетки (или группы) одновременно. Точнее, квазиодновременно, т. к. эти процессы происходят с указанными взаимными задержками. Тот же эффект можно получить, если поочередно прозондировать и записать сигналы, принятые каждым элементом решетки. А затем просуммировать с нужными задержками сигналы, взятые из памяти прибора. Согласно принципу суперпозиции суммарный эффект равен сумме эффектов независимых составляющих при условии линейности системы.

Поскольку выбирать записанные сигналы из памяти и суммировать их можно сколько угодно раз, то, внося в суммируемые сигналы разные взаимные задержки, можно получать фокусировку в разные точки пространства. Эта фокусировка (уже не физическая, а виртуальная, т. е. получаемая вычислительным путем) будет полностью эквивалентна физической фокусировке ФР. Только для виртуальной фокусировки не нужно повторять зондирование и прием сигналов для каждой точки пространства. Все сигналы после однократного зондирования каждым элементом антенной решетки уже записаны в памяти прибора. Кроме того, производительность вычислительной системы не ограничена акустическими свойствами ОК. Поэтому аппаратура с виртуальной (цифровой) фокусировкой антенной решетки в каждую визуализируемую точку пространства может работать с той скоростью, какая нужна для нормального ручного и высокопроизводительного автоматизированного контроля.

Таким образом, для создания аппаратуры, визуализирующей внутреннюю структуру контролируемого объекта и позволяющей оценивать выявляемые отражатели по цвету (яркости) их образов на экране, нужно отказаться от принципа физической фокусировки и перейти к цифровой фокусировке антенной решетки (ЦФА).



Рис. 6. Структурная схема дефектоскопа с цифровой фокусировкой антенной решетки

Рассмотрим метод ЦФА подробнее. На рис. 6 приведена упрощенная структурная схема дефектоскопа с ЦФА. Дефектоскоп содержит n-элементную антенную решетку, n генераторов импульсов возбуждения элементов решетки, n усилительных трактов с аналогоцифровыми преобразователями (АЦП), память для записи реализаций принятых колебаний, вычислительное устройство и память, в которой формируется изображение для выдачи его на экран прибора. Всеми блоками дефектоскопа управляет синхронизатор.
Изображения
Тип файла: jpg 5.jpg (36.6 Кб, 130 просмотров)
Тип файла: jpg 6.jpg (85.3 Кб, 138 просмотров)
В мире НК вне форума   Ответить с цитированием
Старый 22.08.2015, 23:35   #4
В мире НК
Бывалый
 
Аватар для В мире НК
 
Регистрация: 10.06.2013
Сообщений: 268
Благодарил(а): 0 раз(а)
Поблагодарили: 11 раз(а)
Записей в дневнике: 1
Репутация: 15
По умолчанию

Антенная решетка принципиально ничем не отличается от решетки, используемой в приборах с ФР. Ее элементы тоже имеют широкую диаграмму направленности и расставлены с шагом, соизмеримым с длиной волны ультразвуковых колебаний в материале ОК. Отличия только в процессе ее работы: зондирование - поочередно каждым отдельным элементом, а прием - одновременно всеми элементами.

Дефектоскоп с ЦФА работает следующим образом. По сигналу от синхронизатора первый генератор подает импульс возбуждения на первый элемент антенной решетки. В ОК уходит зондирующий импульс. В этот момент все элементы решетки, включая и первый элемент, начинают принимать колебания из объекта. Эти колебания, преобразованные в электрические, усиливаются, оцифровываются в АЦП и записываются в память независимо друг от друга без каких-либо преобразований и временных сдвигов. Эти колебания записываются в интервале времени, превышающем с некоторым запасом время распространения колебаний от излучающего элемента решетки к наиболее дальней визуализируемой точке ОК и обратно к самому удаленному от нее приемному элементу. В этих колебаниях присутствует шум структуры материала объекта, импульсы отражений зондирующего сигнала от границ материала и, в случае каких-либо несплошностей материала, - импульсы отражений от них.

Далее генератор, соединенный со вторым элементом решетки, возбуждает второй элемент, который посылает в объект зондирующий импульс. Снова происходит прием и запись принятых колебаний в память. Но колебания, принятые первым элементом решетки, в данном случае не записываются, т. к. реализация этих колебаний согласно принципу взаимности тождественна той, которая уже была принята вторым элементом решетки при посылке зондирующего импульса первым ее элементом в предыдущем цикле зондирования-приема колебаний.

Затем в третьем цикле зондирования-приема колебаний все происходит аналогично, только зондирующий импульс в ОК посылает третий элемент решетки, а колебания в память записываются от всех элементов решетки за исключением колебаний от первого и второго ее элементов.

В последнем n-м цикле зондирования-приема n-й элемент решетки исполняет роль излучателя и приемника колебаний, т. е. работает в совмещенном режиме. При этом в память записывается всего одна реализация принятых колебаний.

После выполнения всех этих циклов зондирования-приема колебаний, т. е. после того, как все элементы антенной решетки совершат по одной посылке зондирующего импульса, в памяти окажутся записанными N = n(n+1)/2 реализаций принятых колебаний. Каждая реализация - это результат зондирования и приема колебаний каждой из возможных пар элементов антенной решетки, включая и совмещенные пары, когда излучатель и приемник - один и тот же элемент. В частности, если n = 16, то количество реализаций N = 136.



Рис. 7. Схема хода лучей распространения колебаний от излучающих элементов антенной решётки к отражателю в точке А(х, z) и обратно к приемным элементам и соответствующие этим парам элементов реализации принятых колебаний

После записи всех N реализаций начинается реконструкция изображения внутренней структуры ОК поочередно для каждой визуализируемой точки. Рассмотрим этот процесс для произвольно взятой в объекте точки А(х, z) с координатами х, z (рис. 7). Не нарушая общности, для простоты рассмотрим двухмерный случай использования линейной эквидистантной антенной решетки при визуализации пространства в плоскости, перпендикулярной внешней поверхности объекта и проходящей через фазовые центры элементов решетки и точку А(х, z). Для матричной решетки потребовалось бы привлечение третьей пространственной координаты с соответствующим усложнением формул, описывающих траектории распространения колебаний.

Пусть начало прямоугольной системы координат X, Z совпадает фазовым центром первого элемента антенной решетки, рис. 7. Тогда время Ц, затрачиваемое на распространение сигнала со скоростью с в материале объекта от излучающего элемента решетки с номером i к точке А(х, z) и обратно к приемному элементу с номером j,



где xi, xj - координаты излучающего и приемного элементов решетки соответственно. Согласно изложенному порядку зондирования, приема и записи реализаций, i ≥j.

Если в точке А (х, z) материал объекта контроля однороден, то, естественно, из этой точки к антенной решетке не вернется никакого полезного ультразвукового сигнала кроме шума структуры материала. Однако предположим, что в этой точке есть отражатель, рассеивающий колебания в разные стороны. Тогда в каждой реализации колебаний, принятой решеткой, будет вместе с шумом присутствовать эхо-импульс, время задержки которого относительно момента посылки зондирующего импульса в объект контроля равно Ц. На рис. 7 для примера приведены три произвольно взятые осциллограммы этих реализаций, полученные от разных пар элементов решетки (излучатель i - приемник j): (3 - 9), (3 - 15) и (9 - 11). Очевидно, что вследствие разных длин траекторий распространения сигналов времена задержек эхо-импульсов в реализациях также разные. Длительность ти каждого эхо-импульса приблизительно равна длительности зондирующего сигнала, если пренебречь влиянием материала объекта на спектр сигналов при их распространении.

Для получения изображения отражательной способности отражателя в точке А(х, z) из каждой записанной реализации выбирается (считывается из памяти) фрагмент длительностью ти с временем задержки Ц. Все эти фрагменты содержат эхо-импульсы от отражателя в точке А(х, z) (рис. 7), полученные при разных ракурсах падения в эту точку и отражения из нее колебаний. Выбранные фрагменты в вычислительном устройстве, рис. 6, совмещаются во времени t с точностью до фазы и суммируются:



Результат суммирования uA(t) (результирующий эхо-импульс) затем детектируется (вычисляется его огибающая), и значение UA максимума полученной функции записывается в память изображения. Этому значению (числу) присваивается определенный цвет (или яркость) точки А(х, z) на экране прибора.

Аналогично операции считывания фрагментов, суммирования их, детектирования и записи результата в память изображения поочередно производятся для всех точек визуализируемой области ОК. В итоге реконструируется изображение этой области. Все точки изображения, таким образом, оказываются полученными как результат поочередной фокусировки антенной решетки в каждую соответствующую точку ОК.

Эта фокусировка обеспечивает наибольшую амплитуду эхо-импульса от любого малоразмерного (в сравнении с длиной волны) отражателя в пределах всей области визуализации ОК, поскольку отражатель озвучивается под многими ракурсами, включая непараллельные пути падающих на него и отраженных сигналов (рис. 7). Энергии колебаний, отраженных от него, собирается больше, чем при любом другом озвучивании параллельным или не точно сфокусированным на данный отражатель пучком. Поэтому, используя модели таких одинаковых отражателей на разной глубине залегания, можно экспериментально получить распределение амплитуд от них при нескольких положениях антенной решетки вдоль оси X. Полученное двумерное распределение амплитуд достаточно аппроксимировать двумерной функцией координат x, z, вычислить для нее функцию, компенсирующую отклонения амплитуд от максимального их значения, и использовать для выравнивания чувствительности контроля по полю изображения. Для плоскодонных малоразмерных отражателей такое двумерное распределение амплитуд (двумерную АРД-диаграмму) можно рассчитать и встроить в программное обеспечение аппаратуры для выполнения контроля с оценкой характеристик обнаруженных несплошностей по нормативным показателям качества.

В данной статье не затрагиваются вопросы практического построения и требуемой производительности вычислительных устройств для реализации алгоритмов ЦФА. Современные технологии цифровой техники позволяют выполнить необходимый объем вычислительных операций за время, соизмеримое с периодом получения исходного набора из N реализаций принятых колебаний, и, соответственно, не ограничивают производительность метода. Например, при использовании 16-ти элементной антенной решетки и при частоте посылок зондирующих импульсов 400 Гц, что допустимо для большинства ОК, производительность визуализации составит 25 кадров в секунду.

В настоящее время из всех вышеупомянутых приборов только один - «А1550 IntroVisor» фирмы «АКС» - построен на основе метода ЦФА, и в нем реализована технология ПРЧ при калибровке по моделям отражателей. В развитие этого метода ведутся работы по расчету и использованию в приборе двумерной функции АРД, что обеспечит принципиальное решение вопросов метрологии для дефектоскопов с антенными решетками.

Задача этой статьи не в критике приборов на ФР и не в рекламе принципа ЦФА, а в максимально простом и понятном большинству читателей объяснении основных технических возможностей приборов с антенными решетками. И также в некотором предостережении пользователей этих приборов от эйфории от этой новой техники.

Выводы

1. Основным фактором, сдерживающим широкое практическое применение дефектоскопов с фазированными решетками, является нерешенность проблемы однозначного и оперативного определения чувствительности к визуализируемым несплошностям малых волновых размеров, т. е. отсутствие технологии калибровки.

2. Решение задачи метрологической калибровки дефектоскопов с антенными решетками принципиально возможно при обеспечении фокусировки пучка в каждую точку визуализируемой области ОК и использовании двумерной функции пространственной регулировки чувствительности, определяемой расчетным путем или экспериментально на моделях отражателей.

3. В большинстве известных дефектоскопов с фазированными решетками используется принцип физической фокусировки излученного ультразвукового пучка. Этот принцип обеспечивает фокусировку в весьма ограниченной области ОК, недостаточной для контроля с калиброванной чувствительностью. Расширение этой области (увеличение количества точек фокусировки) снизит производительность прибора до неприемлемого уровня (единицы кадров в секунду).

4. Эффект полной фокусировки антенной решетки во все точки визуализируемого сечения ОК при высокой производительности визуализации (50 - 100 кадров в секунду) достигается вычислительным путем, т. е. при использовании метода цифровой фокусировки антенной решетки (ЦФА). Метод ЦФА заключается в поочередном независимом зондировании ОК каждым элементом решетки, параллельном независимом приеме сигналов от всех элементов и формировании изображения сечения ОК методами цифровой пространственно-временной обработки сигналов.

Литература

1. ПНАЭ Г-7-030-91. Унифицированные методики контроля основных материалов (полуфабрикатов), сварных соединений и наплавки оборудования и трубопроводов АЭУ. Ультразвуковой контроль. Часть II. Контроль сварных соединений и наплавки.

2. ПНАЭ Г-7-014-89. Унифицированные методики контроля основных материалов (полуфабрикатов), сварных соединений и наплавки оборудования и трубопроводов АЭУ. Ультразвуковой контроль. Часть I. Контроль основных материалов (полуфабрикатов).

3. РД 34.17.302-97. Котлы паровые и водогрейные. Трубопроводы пара и горячей воды, сосуды. Сварные соединения. Контроль качества. Ультразвуковой контроль. Основные положения. (ОП 501 ЦД-97).
Изображения
Тип файла: jpg 7.jpg (54.0 Кб, 131 просмотров)
Тип файла: jpg f1.jpg (8.9 Кб, 123 просмотров)
Тип файла: jpg f2.jpg (11.1 Кб, 124 просмотров)
В мире НК вне форума   Ответить с цитированием
Старый 23.08.2015, 05:44   #5
admin
Администратор
 
Аватар для admin
 
Регистрация: 16.04.2012
Сообщений: 1,964
Благодарил(а): 53 раз(а)
Поблагодарили: 195 раз(а)
Записей в дневнике: 3
Репутация: 152
По умолчанию

Воронков В.А., Воронков И.В., Козлов В.Н., Самокрутов А.А., Шевалдыкин В.Г. О применимости технологии антенных решеток в решении задач УЗК опасных производственных объектов. − В мире НК. – Март 2011 г. − № 1 (51). − С. 64–69. Статья любезно предоставлена редакцией журнала «В мире НК» (http://www.ndtworld.com). Наиболее точная и достоверная версия – в прикрепленном файле.
Вложения
Тип файла: pdf 51_64-69.pdf (521.6 Кб, 59 просмотров)
admin вне форума   Ответить с цитированием
2 благодарности(ей) от:
astrut (24.08.2015), Kaskader (17.07.2017)
Старый 24.08.2015, 11:56   #6
astrut
Дефектоскопист всея Руси
 
Регистрация: 24.10.2013
Сообщений: 3,328
Благодарил(а): 281 раз(а)
Поблагодарили: 675 раз(а)
Репутация: 608
По умолчанию

Спасибо. Вот только в тексте статьи ссылки на 25 источников, а в списке литературы их всего 3.
astrut вне форума   Ответить с цитированием
Ответ
Похожие темы
Тема Автор Раздел Ответов Последнее сообщение
Выявление, идентификация и изменение размеров плоскостных дефектов В мире НК Статьи о дефектоскопии 3 23.04.2015 09:02
Современная аппаратура для УЗК металлоконструкций admin Статьи о дефектоскопии 4 03.04.2014 09:57
НК как компонент стратегии минимизации рисков и затрат admin Статьи о дефектоскопии 3 28.01.2014 20:45
Автоматический ультразвуковой контроль сварных стыков при ст admin Статьи о дефектоскопии 3 28.01.2014 13:30
Степень объективности регистрируемых результатов ультразвуко admin Статьи о дефектоскопии 1 17.11.2012 19:14


Опции темы
Опции просмотра

Ваши права в разделе
Вы не можете создавать новые темы
Вы не можете отвечать в темах
Вы не можете прикреплять вложения
Вы не можете редактировать свои сообщения

BB коды Вкл.
Смайлы Вкл.
[IMG] код Вкл.
HTML код Выкл.

Быстрый переход



Текущее время: 14:59. Часовой пояс GMT +3. Copyright ©2000 - 2017. Перевод: zCarot.