автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Исследование корреляционных методов обработки акустических сигналов и разработка ультразвуковых толщиномеров с расширенным диапазоном измерений

Введение

Глава 1 Анализ методов и средств ультразвуковой толщинометрии

1.1 Задачи измерения, решаемые с помощью ультразвуковых толщиномеров, условия их применения и виды контролируемых материалов

1.2 Обзор работ по ультразвуковой толщинометрии

1.3 Характеристики ультразвуковых толщиномеров, используемых в настоящее время

1.4 Особенности использующихся в толщиномерах раздельно-совмещённых и совмещённых пьезопреобразователей

1.5 Получение информации о толщине изделия

1.6 Факторы, влияющие на точность измерений

1.7 Выводы

1.8 Цель и задачи исследования

Глава 2 Теоретические исследования корреляционных методов обработки акустических сигналов при измерениях толщины

2.1 Разработка модели сигналов и помех в приёмном тракте толщиномера с совмещённым преобразователем

2.2 Применение корреляционных методов для измерения толщины

2.3 Требования к характеристикам преобразователей

2.4 Применение интерполяционных методов для уменьшения погрешностей измерений, вызванных дискретностью временных отсчётов

2.5 Выводы

Глава 3 Результаты экспериментальных исследований работы толщиномеров на объектах неразрушающего контроля

3.1 Измерения временных зависимостей уровней сигналов и помех при контроле совмещёнными пьезопреобразователями

3.2 Практические результаты

3.3 Погрешности измерений

3.4 Выводы.

Глава 4 Основные характеристики ультразвуковых толщиномеров, разработанных в ходе исследований

4.1 Ультразвуковой толщиномер А1208 и его функциональная схема

4.2 Описание ультразвуковых толщиномеров других типов, созданных в ходе работы

4.3 Метрологическое обеспечение созданных толщиномеров

4.4 Выводы.

Проблемы обеспечения технической безопасности неразрывно связаны с диагностикой, оценкой надежности и остаточного ресурса различных машин, механизмов, зданий и сооружений. Одной из важнейших операций диагностирования широкой номенклатуры объектов является измерение толщины. Благодаря высокой информативности, экономичности и безопасности для персонала наиболее широко распространённым методом измерения толщины является акустический метод [26], использующий для контроля акустические волны ультразвукового диапазона.

К одному из наиболее распространённых инструментов диагностики относятся эхо-импульсные толщиномеры, основное назначение которых - измерение толщины изделий при одностороннем доступе к их поверхности. С помощью ультразвуковых (УЗ) толщиномеров можно быстро и надёжно проконтролировать изделия, изготовленные из большинства широко используемых конструкционных материалов, включая металлы и их сплавы, пластики, керамику, композиты, стекло. УЗ толщиномеры применяют для решения двух основных групп задач: одна из них - это измерение толщины в процессе изготовления листов, труб, сосудов и других изделий, а другая - проверка толщины или остаточной толщины при эксплуатационном контроле труб, резервуаров, котлов, сосудов высокого давления, корпусов судов и других изделий, подвергающихся различным внешним воздействиям.

В научно-техническом прогрессе современной ультразвуковой толщино-метрии видную роль сыграли труды М. В. Королёва, В. Г. Шевалдыкина, В. С. Гребенника, В. А. Калинина, В. Л. Тарасенко, Й. Крауткремера, Г. Крауткреме-ра. Существенными качественными показателями при оценке толщиномеров как измерительных приборов являются диапазон измеряемых толщин и точность измерений, которые должны быть обеспечены для всех видов измеряемых изделий и материалов. На сегодняшний день наиболее широкое распространение получили УЗ толщиномеры [19] с акустическим трактом, использующим контактные раздельно-совмещённые пьезоэлектрические преобразователи. Использование таких преобразователей при сравнительно простой аппаратной реализации позволяет измерять толщины в широком диапазоне на криволинейных и корродированных поверхностях. В процессе эксплуатации толщиномеров имеет место непосредственный механический контакт преобразователя с объектом контроля через слой контактной смазки, в который неизбежно попадают частицы металла, ржавчины и других материалов даже при хорошем качестве предварительной подготовки поверхности к проведению измерений. Это приводит к ускоренному разрушению электроакустического экрана преобразователя, постепенному проникновению сигнала из канала генератора в канал приёмника, трудно контролируемому процессу ухудшения характеристик прибора и, в конечном итоге, к выходу преобразователя из строя. Как показывает практика, при интенсивной работе с прибором на изделиях с грубыми поверхностями это может произойти за достаточно короткое время, что приводит к значительным эксплуатационным расходам, так как требуется производить замену преобразователей, имеющих высокую стоимость. Конструкция раздельно-совмещённых преобразователей такова, что зависимость времени прихода эхо-импульса от измеряемой толщины изделия отличается от линейной, что особенно заметно проявляется при малых значениях толщины. Характеристики этой зависимости определяются большим числом параметров, в том числе геометрией преобразователя и скоростью ультразвука в материале изделия [5, 7], что говорит о сложности её точной коррекции.

В отличие от раздельно-совмещённого преобразователя, совмещённый УЗ пьезоэлектрический преобразователь со сплошным протектором из твёрдой керамики значительно более износостоек. Поэтому его использование в толщиномерах широкого применения также является желательным наряду с раздельно-совмещённым преобразователем. Совмещённый преобразователь имеет практически строгую линейную зависимость времени задержки эхо-сигналов от толщины материала, лучшую чувствительность в дальней зоне в сравнении с раздельно-совмещённым пьезопреобразователем таких же размеров. Совмещённый преобразователь не нужно определённым образом ориентировать по отношению к образующей цилиндрической кривизны, он менее чувствителен к уменьшению площади акустического контакта при контроле изделий с двойной кривизной, его легче выполнить с малой апертурой для локальности измерений. Однако способ контроля с помощью совмещённого преобразователя имеет так называемую «мёртвую зону» значительной протяжённости, обусловленную импульсом возбуждения преобразователя и собственной реверберационной помехой пьезопреобразователя, что не позволяет обычными способами измерять толщины менее 1.5 мм в зависимости от характеристик преобразователя. Для совмещённого электромагнитно-акустического (ЭМА) преобразователя также характерна большая протяжённость «мёртвой зоны».

Тем не менее, известно, что в изделиях с толщинами в несколько миллиметров и менее, включая трубы малых диаметров, практически всегда возникают импульсы многократных отражений ультразвука между поверхностями материала. Эти импульсы несут информацию о толщине изделия и можно надеяться, что их удастся использовать для измерений, даже тогда когда первый и несколько последующих импульсов будут ниже уровня собственной реверберационной помехи пьезопреобразователя. В этом случае открываются перспективы создания толщиномеров нового класса, использующих преимущественно износостойкие совмещённые преобразователи и обладающие широким диапазоном измеряемых толщин.

Предлагаемая диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложения.

13. Результаты работы позволили разработать ультразвуковые толщиномеры ручного контроля с совмещёнными пьезоэлектрическими и ЭМА-преобразователями, обладающими качественно новыми характеристиками для измерения толщины широкой номенклатуры изделий.

14. В результате выполнения данной работы теоретически и экспериментально исследованы и решены проблемы измерения толщин в широком диапазоне при использовании совмещённых преобразователей и на этой основе разработано новое поколение ультразвуковых толщиномеров. Созданные ультразвуковые толщиномеры А1208, А1207, А1207С, А1209, А1270 серийно производятся и успешно эксплуатируются на многих предприятиях России и за рубежом.

Заключение

1. В результате изучения свойств эхо-сигналов и помех ультразвуковых толщиномеров с совмещённым акустическим трактом разработана математическая модель формирования принятого сигнала, которая с достаточной точностью отображает свойства реальных акустических сигналов.

2. При задании параметров модели, соответствующих различным условиям контроля, было установлено, что с помощью метода автокорреляционной обработки принятых сигналов с бланкированием начального участка, соответствующего «мёртвой зоне» совмещённого преобразователя, можно измерять малые толщины, не измеряемые обычными способами, а также получить выигрыш в отношении сигнал/шум от 3 до 15 дБ в зависимости от параметров принятого сигнала.

3. В результате использования модели принятого сигнала теоретически установлено, что минимальная измеряемая величина толщины, при применении совмещённых преобразователей, соответствует четверти длины ультразвуковой волны в образце, что при скорости распространения продольной акустической волны в стали =5950 м/с и преобразователя с рабочей частотой 5 МГц составит около 0,4 мм.

4. Выработаны требования, предъявляемые к характеристикам совмещённых преобразователей, используемых при контроле. Показано, что для уменьшения отношения максимального уровня мешающего лепестка к уровню главного лепестка в обработанном сигнале до значения - 6дБ, необходимо увеличивать относительную полосу частот преобразователя до значения 85%.

5. Исследованы возможности интерполяционных методов для снижения погрешностей измерений, вызванных временной дискретизацией. Показано, что использование кубической сплайн-интерполяции и параболической интерполяции позволяет уменьшить составляющую погрешности измерений, вызванную временной дискретизацией до значений ± 1нс.

6. Созданы методики, аппаратура и программы для экспериментальных исследований акустических сигналов и методов их обработки на основе современных средств измерительной и вычислительной техники.

7. Проведены экспериментальные измерения уровней сигналов и помех для нескольких совмещённых пьезоэлектрических преобразователей. Установлено, что уровни отражённых сигналов при измерениях толщин различных изделий в области времён более 1.2 мкс на 6.30 дБ превосходят ревербераци-онную помеху серийного совмещённого пьезоэлектрического преобразователя с высоким разрешением.

8. Экспериментально подтверждена работоспособность предложенных новых методов обработки сигналов в ультразвуковых толщиномерах ручного контроля при измерениях толщин реальных объектов. Установлено, что при использовании предложенного метода обработки акустических сигналов и совмещённого пьезоэлектрического преобразователя на 5 МГц без линии задержки возможны измерения в диапазоне толщин от 0,5 до 300 мм.

9. Экспериментально установлено, что предложенный метод обработки с успехом может применяться для решения задачи толщинометрии с использованием ЭМА-преобразователя.

10. В серии экспериментов были установлены границы применимости автокорреляционной обработки акустических сигналов в толщиномерах, что в дальнейшем было использовано в алгоритмах работы спроектированных приборов. Получено, что для пьезопреобразователя на 3 МГц и стальных изделий область применения автокорреляционной обработки лежит в диапазоне от 0,8 мм до 20 мм.

11. Даны оценки погрешностей измерений толщины при использовании автокорреляционной обработки и пьезоэлектрических преобразователей на образцах КУСОТ-180 в диапазоне от 0,3 мм до 25 мм, ЭМА-преобразователей на образцах КМТ-92 в диапазоне от 0,8 мм до 13 мм. Значения величин этих погрешностей не превышают ± 0,05 мм и ± 0,12 мм соответственно.

12. Разработана функциональная схема ультразвукового толщиномера А1208, использующего при работе как совмещенные, так и раздельно-совмещённые пьезоэлектрические преобразователи, а также толщиномера А1270, использующего ЭМА-преобразователи.

1. Бобров В. Т., Самокрутов А. А., Шевалдыкин В. Г., Козлов В. Н., Алёхин С. Г., Жуков А. В. ЭМА толщиномер для авиа-космической промышленности. //Доклад на 16 Российской конференции по НК в Санкт-Петербурге, 9-12 сентября 2002 г.

2. Бобров В. Т., Самокрутов А. А., Шевалдыкин В. Г., Козлов В. Н. Возможности ультразвукового ЭМА метода для внутритрубного контроля на снарядах-дефектоскопах. // Тез. докл. 3-я междунар. конф. «Диагностика трубопроводов». М.: 2001. - С. 149.

3. Васильев Д. В. Радиотехнические цепи и сигналы: Учеб. Пособие для вузов. М.: Радио и связь, 1982. - 109 с.

4. Гребенник B.C. Ультразвуковые методы измерения толщины. -Дефектоскопия, 1967, №5, с. 1-12.

5. Гусев Е.А., Королев М.В., Карпельсон А.Е. Приборы неразрушающего контроля толщины в машиностроении- М.: Машиностроение. 1993. - 143 с.

6. Ермолов И. Н. Теория и практика ультразвукового контроля. М.: Машиностроение, 1981. - 240 с.

7. Ермолов И.Н., Ермолов Е. А. К вопросу градуировки толщиномера с раздельно-совмещенным преобразователем. Дефектоскопия, 1995, №11, с.15-17.

8. Калинин В. А., Тарасенко В. JL, Цеслер JL Б. Погрешности измерений ультразвуковыми толщиномерами, обусловленные варьированием скорости распространения ультразвука в конструкционных сталях и металлических сплавах. Дефектоскопия, 1988, №1.

9. Калинин В. А., Тарасенко В. Л., Цеслер Л Б. Составляющие погрешности измерения ультразвуковыми толщиномерами с двухэлементными раздельно-совмещенными пьезоэлектрическими преобразователями. Дефектоскопия, 1988, №10.

10. Ковалёв А. В., Козлов В. Н., Самокрутов А. А., Шевалдыкин В. Г., Яковлев Н. Н. Импульсный эхо-метод при контроле бетона. Помехи и пространственная селекция. /Дефектоскопия, 1990, № 2, с. 29-41.

11. Ковалёв А. В., Шевалдыкин В. Г., Козлов В. Н., Самокрутов А. А., Яковлев Н. Н. Ультразвуковой контроль изделий из крупноструктурных материалов при одностороннем доступе. /Приборы и системы управления, 1989, №5, с. 9-10.

12. Кириков А. В. Чувствительность эхо- и эхо-сквозного методов УЗК листового проката. В мире неразрушающего контроля, 3(13) сентябрь 2001.

13. Клаассен К. Б. Основы измерений. Электронные методы и приборы в измерительной технике. М.: Постмаркет, 2000. - 352 с.

14. Козлов В. Н., Самокрутов А. А., Шевалдыкин В. Г. Ультразвуковой толщиномер или глубиномер дефектоскопа, Патент РФ № 2082160. Бюлл., изобр., 1997. №17.

15. Козлов В. Н., Самокрутов А. А., Шевалдыкин В. Г. / Научно-технические достижения. Межотраслевой научно-технический сборник. М.: ВИМИ. 1994. №5. С. 41 -43.

16. Козлов В. Н. Пути повышения точности и достоверности измерений при УЗ толщинометрии металлических конструкций эхо-импульсным методом. // Тез. докл. 3-я междунар. конф. «Диагностика трубопроводов». М.: 2001. -С.153.

17. Козлов В. Н., Самокрутов А. А., Шевалдыкин В. Г. Разработка толщиномеров широкого применения с совмещёнными ультразвуковыми преобразователями. // Тез. докл. 3-я междунар. конф. «Диагностика трубопроводов». М.: 2001. - С. 154.

18. Козлов В. Н., Самокрутов А. А., Шевалдыкин В. Г. Применение корреляционных методов обработки сигналов в эхо-импульсных ультразвуковых толщиномерах. // Доклад на 16 Российской конференции по НК в Санкт-Петербурге, 9-12 сентября 2002 г.

19. Королев М. В. Эхо-импульсные толщиномеры. М.: Машиностроение, 1980,- 111 с.

20. Королев М. В. Безэталонные ультразвуковые толщиномеры. М.: Машиностроение, 1985, - 80 с.

21. Королев М. В., Шевалдыкин В. Г., Карпельсон А.Е. М.: -Дефектоскопия, 1983, №9, С 23-30.

22. Королев М. В., Карпельсон А.Е. Широкополосные ультразвуковые пьезопреобразователи. -М.: Машиностроение, 1982. 157 с.

23. Крауткремер Й., Крауткремер Г. Ультразвуковой контроль материалов. Справочное издание. М.: Металлургия, 1991. - 752 с.

24. Метрология и электрорадиоизмерения в телекоммутационных системах./ Нефёдов В.И., Хахин В.И., Фёдорова Е.В. и др.; Под ред. Нефёдова В.И. -М.: Высш. шк., 2001. 383 с.

25. Митин И. В., Русаков В. С. Анализ и обработка экспериментальных данных. М.: МГУ, 1998. - 48 с.

26. Неразрушающий контроль и диагностика. Справочник/ Под редакцией Клюева В. В. М.: Машиностроение, 1995. - 488 с.

27. Неразрушающий контроль. В 5 кн. Кн. 2. Акустические методы контроля: Практ. Пособие И.Н. Ермолов, Н.П. Алёшин, А.И. Потапов; под ред Сухорукова В.В. -М.: Высш. шк., 1991. 283 с.

28. Самокрутов А. А., Козлов В. Н., Мелешко И. А., Пастушков П. С., Алехин С.Г. Миниатюрный ультразвуковой толщиномер А1207. // Тез. докл. 3-я междунар. конф. «Диагностика трубопроводов». М.: 2001, - С. 155.

29. Самокрутов А. А., Шевалдыкин В. Г., Козлов В. Н. А1207 -Ультразвуковой толщиномер нового поколения. В мире неразрушающего контроля. 2(12) июнь 2001.

30. Свистов В. М. Радиолокационные сигналы и их обработка. М.: Сов. Радио, 1977.-448 с.

31. Тартаковский Д.Ф., Ястребов А.С. Метрология стандартизация и технические средства измерений. М.: Высшая школа, 2001. - 205 с.

32. Теоретические основы радиолокации. Под редакцией Ширмана Я. Д. -М.: Сов. Радио, 1970.

33. Трис Г. Ван, Теория обнаружения оценок и модуляции. Том 1. М.: Сов. Радио, 1972.

34. Ультразвуковые преобразователи для неразрушающего контроля. / под общ. Ред. Ермолова И.Н. М.: Машиностроение, 1986. - 280 с.

35. Хаттон Л., Уэрдингтон М., Мейкин Дж. Обработка сейсмических данных. Теория и практика. М.: Мир, 1989. - 216 с.

36. Шевалдыкин В.Г., Козлов В.Н., Яковлев Н.Н. Об искажении ультразвуковых импульсов в средах с большим затуханием. Труды НИКИМПа. М.: 1986. - С. 60-63.

37. Штукерт Ю.А. Ультразвуковой метод измерения толщины покрытий. -Димитровград. 1992. - 9 е.: ил. - Препринт; НИИАР.

38. Blitz J., Simpson G. ultrasonic vethods of Non-Destructive Testing, Shapman & Hall, London.

39. Biichler J. Hight Precision Coating Measurement with Ultrasound /Roma 2000 15th WCNDT.

40. Hammond Peter On Resolution, Accuracy and Calibrationof Digital Ultrasonic Thickness Gauges /NDTnet October 1997, Vol.2 No. 10.

41. Kenneth A. Fowler, Gerry M. Elfbaum, Karen A. Smith and Thomas J. Nelligan., Theory and application of precision ultrasonic thickness gaging. NDTnet -October 1997. Vol.2 No. 10

42. Kozlov V. N., Samokrutov A. A., Shevaldykin V. G. Thickness Measurements and Flaw Detection in Concrete Using Ultrasonic Echo Method. // Nondestructive Testing and Evaluation., 1997, Vol. 13, pp. 73 84.

43. Krautkramer by Josef and Herbert ULTRASONIC TESTING OF MATERIALS,, 4th Edition 1990, (IBSN 0-387-51231-4), published by the American Society of Nondestructive Testing.

44. Panametrics' New Products for 2000. NDT net, December 2000.

45. Programs for Digital Signal Processing, IEEE Press, New York, 1979.

46. Orfanidis, S.J., Optimum Signal Processing. An Introduction. 2nd Edition, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1996.

47. ГКНПЦ имени Хруничева М.В.

48. УТВЕРЖДАЮ» Зам. генерального директоранииин1. РКЗ1. О «Спектр»1. Ю.П. Городничев1. А.В.Ковалёв2001г.2001г.1. АКТвнедрения научно-технических достижений