автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Ультразвуковой контроль толщины стенок деталей априорно неизвестной конфигурации

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ИЗУЧЕНИЕ ПРЕДПОСЫЛОК ДЛЯ РАЗРАБОТКИ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ТОЛЩИНОМЕРА.

1.1 Детали и особенности процесса ультразвукового контроля толщины.

1.2 Средства и технология ультразвукового контроля толщины стенок изделий.

13 Анализ ультразвукового контроля толщины. Цель работы и задачи, подлежащие решению.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ ЭХО - ИМПУЛЬСНЫМ МЕТОДОМ РАЗДЕЛЬНО -СОВМЕЩЕННЫМИ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ

2.1. Влияние толщины акустического экрана раздельно - совмещенного пьезоэлектрического преобразователя на время прихода отраженного сигнала в области малых толщин.

2.2. Трансформация продольных акустических волн в поперечные для раздельно - совмещенного пьезоэлектрического преобразователя и применение ее для контроля толщины.

2.3. Экспериментальные исследования трансформации продольных ультразвуковых волн для раздельно - совмещенных преобразователей.

2.4. Многоуровневый способ фиксирования момента времени прихода отраженного сигнала при эхо - импульсной локации.

2.5. Практическая реализация двухуровневого способа фиксирования момента времени прихода отраженного сигнала.

2.6. Практическая реализация трехуровневого способа фиксирования момента времени прихода отраженного сигнала.

2.7. Анализ точности автоматической калибровки толщиномера.

2.8. Алгоритм обработки сигнала с помощью метода расслоенной выборки Монте - Карло.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2.

3. РАЗРАБОТКА ПРИБОРОВ НА ОСНОВАНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ПРОВЕДЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.1. Разработка ультразвукового калибра толщины.

3.2. Разработка ультразвукового толщиномера с дискретным измерением толщины.

3.3. Разработка эхо - импульсного многопараметрического ультразвукового толщиномера УТ~ 901.

3.4. Внедрение разработанных приборов.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3.

ЗАКЛЮЧЕНИПЕ.

В настоящее время, большое внимание уделяется неразрушающим методам контроля. Это связано с тем, что они не требуют разрушения готовых изделий, вырезки образцов, а так же в несколько раз повышают скорость контроля. Внедрение неразрушающих методов контроля в производство позволяет сократить материальные и временные затраты, а так же автоматизировать контроль и повысить его качество и надежность.

Одним из основных видов неразрушающего контроля является ультразвуковой контроль, В нашей стране и в большинстве развитых странах ультразвуковой контроль в ряде отраслей (энергетическом машиностроении, судостроении, химическом машиностроении, на железнодорожном транспорте) достигает 70 . 80 % среди других методов неразрушающего контроля благодаря высокой точности контроля, чувствительности и достоверности обнаружения наиболее опасных дефектов типа трещин непроваров, высокой производительности и оперативности, отсутствию вредного воздействия на организм человека и окружающую среду, возможности проведения контроля непосредственно на рабочих местах без изменения технологического процесса, низкой стоимости [3Л.

Одним из важных элементов ультразвукового контроля является ультразвуковая толщинометрия. В связи с усложнением условий эксплуатации оборудования в промышленности, предъявляются все более жесткие требования к точности контроля толщины изделий с односторонним доступом.

Как показала практика, существующие способы обработки сигналов на основе которых реализованы импульсные ультразвуковые толщиномеры не способны обеспечить приемлемую погрешность измерения при контроле корродированных, неэквидистантных поверхностей и поверхностей с малым радиусом кривизны или вести контроль с использованием миниатюрных ультразвуковых преобразователей. В современных ультразвуковых толщиномерах ведется обработка сигнала, которая не исключает влияние оператора на контроль. Так же традиционными ультразвуковыми методами контроль толщины металлических изделий с толщиной менее 0,5 мм, сложной формы и с односторонним доступом затруднен или полностью невозможен. Это связанно с большой погрешностью измерений и удвоением показаний ультразвуковых толщиномеров в области малых толщин.

Таким образом, актуальна задача разработки новых способов ультразвукового контроля толщины в области малых толщин, а так же разработка способов обработки отраженных от донной поверхности сигналов как в аналоговой части ультразвукового толщиномера, так и цифровой части, создание алгоритмов обработки сигнала для контроля неэквидистантных, корродированных поверхностей и исключающие влияние человеческого фактора.

Указанной задаче и посвящена предлагаемая диссертационная работа.

Основные результаты следующие:

1. Проанализировано прохождение продольных ультразвуковых колебаний в области малых толщин изделий с использованием раздельно - совмещенных преобразователей при эхо -импульсной локации и возникающие при этом погрешности измерения.

2 Предложена модель трансформации продольных ультразвуковых колебаний в поперечные колебания для раздельно - совмещенного преобразователя при эхо - импульсной локации с толщиной изделия равной Ькр, которая позволила уменьшить в несколько раз нижний предел измерения толщины эхо - импульсным методом. Коэффициент корреляции между теоретическими и экспериментальными данными составляет 0,990, что свидетельствует о высокой достоверности построенной модели.

3. Исследовано изменение и влияние амплитуды ультразвуковых колебаний, растягивание первого полупериода отраженного сигнала при неэквидистантности контактной и донной поверхностей изделия на погрешность измерения толщины.

4. Разработаны два новых способа контроля малых толщин помощью специальных раздельно - совмещенных пьезоэлектрических преобразователей, позволяющих вести измерение и разбаковывание толщин деталей в диапазоне от 0,15 мм. при эхо - импульсной локации.

5. Предложены и созданы двзосуровневая и трехуровневая схемы фиксирования момента времени прихода отраженного сигнала при эхо -импульсной локации, позволяющие снизить погрешность измерения при контроле корродированных и неэквидистантных поверхностей.

90

6. Проведен анализ автоматической калибровки ультразвукового толщиномера. Разработан алгоритм способа обработки сигнала с использованием метода расслоенной выборки Монте-Карло, позволивший довести точность измерений до ±0,02 мм при контроле изделий сложной формы.

7. Созданы приборы: ультразвуковой калибр толщины; ультразвуковой толщиномер с дискретным измерением толщины для контроля малых толщин; эхо - импульсный многопараметрический ультразвуковой толщиномер.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Алешин Н. П., Щербинский В. Г. Радиационная, ультразвуковая и магнитная дефектоскопия металлоизделий: Учеб. Для ПТУ.- М.: Высш. шк., 1991.-271с.; ил.

2. Шутилов В. А. Основы физики ультразвука: Учеб. пособие. Л.: Изд-во Ленингр. Ун-та, 1980- Ил. - 78, табл. - 22, библиогр. - 109 назв. с. 280,с.153- 158,218-229.

3. Методы акустического контроля металлов/Н. П. Алешин, В. Е. Белый, А. X. Вопилкин и др.,: Под ред. Н. П. Алешина. М.: Машиностроение, 1989.- 456 с; ил.

4. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник. В 2-х книгах. Кн. 2/Под ред. В. В. Клюева. 2-е изд., перераб-. и доп. - М.: Машиностроегше. 1986. 352 с, ил.

5. В.Г.Саиткулов, В.С.Гребенник. Исследование погрешности импульсных толщиномеров с совмещенным преобразователем при контроле клиновидных профилей. Дефектоскопия, двухмес. науч.-теор. журнал АН СССР, Свердловск, Наука, 1977, № 4,с. 71-81.

6. К.Л. Куликовский, В.Я. Купер. Методы и средства измерений: Учеб. Пособие для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1986.-448 с: ил. С 197199.

7. Руководство по эксплуатации ультразвукового толщиномера УТ93П.

8. Неразрушающие методы контроля. Спецификатор различий в национальных стандартах разных стран. Том 2/Под ред. H.A. Пугина-М.': Центр «Наука и Техника», 1994, с. 160, с. 65-66.

9. Standard practice for thickness measurement by manual contact ultrasonic method. SE 797. Section 5. 1992.

10. Шрайбер Д. С. Ультразвуковая дефектоскопия.-М.: Металлургия, 1965.-392С.

11. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник/Под ред. В.В. Клюева. -М.: Машиностроение, 1976, т. 1-2, 392С.+ 326 с.

12. Новый портативный ультразвуковой измеритель толщины с непосредственным отсчетом = А new portable direct reading ultrasonic thickness gauge.- Dawe digest, 1967, v. 10, № 1, p. 10-11.

13. Измерение толщины стенок лонжеронов лопастей несущего винта вертолетов = Measuring blade spar thickness at Weland Helicopters. -Dawe digest, 1968, v. 14, №2, p. 1-3.

14. Расширение измерений ультразвуком = Ultrasonic gauging made vertile. Metalworking Production, 1969, 26 March, p.22 - 23/

15. Ультразвуковой толщиномер = Dickenmesser mit Ziffemanzeige,-TZ. f/prakt. Metallbearb., 1965, v.59, Helf 7, p.453.

16. Клюев B.B., Шубаев С.Н. и др. Внедрение толщиномера УТ-80Б на Первоуральском новотрубном заводе. Дефектоскопия, 1983, JN28, с.91-92.

17. Королев М.В. , Шевалдыкин В.Г., Капельсон А.Е. Безэталонный эхо- импульсный ультразвуковой толщиномер. Дефектоскопия, 1983, № 9, с.23-30.

18. А.с. 372 432 (СССР) Ультразвуковой способ контроля толщины /А.И. Бутенко, Ю.М. Шкарлет. Опубл. в Б.И., 1973, № 13.

19. Бутенко А.И., Шкарлет Ю.М. О некоторых возможностях ультразвуковой безэталонной толщинометрии. В кн.: Тезисы к докл. УП Всесоюзной конференции по неразрушающему контролю. -Киев, 1974, с. 198-200.

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

21. Ермолов И.Н., Разыграев Н.П., Щербинский В.Г. Использование акустических волн головного типа для ультразвукового контроля. -Дефектоскопия, 1978, №1, с.32-40.

22. Ермолов И.Н., Разыграев Н.П., Щербинский В.Г. Исследование процесса формирования акустического поля головной волны в контролируемой среде, Дефектоскопия, 1978, № 11, с.5-10.

23. Басацкая Л.В., Вопилкин Л.Х., Ермолов И.Н., Иванов В.И., Шишов A.n. К вопросу о распространении ультразвуковых продольных волн вблизи поверхности твердого тела. Акуст. журн., 1978, №24, с. 15-20.

24. Басацкая Л.В., Ермолов И.Н. Теоретические исследования ультразвуковых продольных поверхностных волн в твердых телах. -Дефектоскопия, 1980, № 7, с.58-65,

25. Юозонене Л,В. Упругие поверхностно- продольные волны и их применение для неразрушающего контроля. Дефектоскопия, 1980, № 8, с.29-38.

26. Бреховский Л.М. Волны в слоистых средах. М.: Наука, 1973,343 с.

27. Викторов И.А. Звуковые поверхностные волны в твердых телах. -М.: Наука, 1981,-288 с.

28. Ермолов И.Н., Рыжов Никонов В.И. Теория работы пьезоэлектрических искателей ультразвуковых дефектоскопов. 1. Основные уравнения электроакустического тракта ультразвукового дефектоскопа. - Дефектоскопия, 1976, № 5, с.7-17.

29. Ермолов И.Н., Рыжов Никонов В.И. Теория работы пьезоэлектрических искателей ультразвуковых дефектоскопов. 2. Результаты исследований электроакустического тракта эхо - дефектоскопа. - Дефектоскопия, 1976, № 6, с.64-75.

30. Ямщиков B.C., Данилов В.Н. Об отражении продольных и поперечных упругих волн от цилиндрической полости в полупространстве.- Дефектоскопия, 1984, № 4, с. 3-11.

31. Голубев A.C. Отражение от цилиндрического дефекта. Акуст. журн., 1961, т. 7, вып. 2, с. 174-178.

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

33. Ермолов И.Н., Вятсков И.А. Особенности отражения от бокового цилиндрического отверстия при дефектоскопии импульсным эхо-методом. Дефектоскопия, 1973, № 2, с.66-72.

34. Голубев A.C., Доброткин Д. Д., Паврос С.К. Влияние шероховатости поверхности изделия на флюктуацию амплитуд регистрируемых сигналов при иммерсионном контроле теневым методом.- Дефектоскопия, 1982, № 4, с.51-56.

35. Исакович М.А. Рассеяние волн в статистически шероховатой поверхности /Тр. Акустич. ин-та, 1969, № 5, с. 152-157.

36. Артемов В.Е., Паврос С.К. К оценке влияния шероховатости поверхности изделия при иммерсионном контроле методом «многократной тени»/Изв. ЛЭТИ, 1981, вып. 301, с.9-11.

37. Паврос С.К., Максимов A.A. О влиянии шероховатости поверхности изделия при контроле эхо-методом в иммерсионном варианте.- Дефектоскопия, 1984, № 4, с. 11-14.

38. Лебедев A.A., Шарко A.B. Оценка колебаний геометрических размеров изделий на результаты акустических измерений. -Дефектоскопия, 1983, № 9, с.31-36.

39. Лукомский Я.И. Теория корреляций и ее применение к анализу производства. М.: Госстандиздат., 1958, - 387с.

40. Точность производства в машиностроении и приборостроении /Под ред. А.Н. Гаврилова. -М.: Машиностроение, 1973, 567 с.

41. Данилов В.Н., Ямщиков B.C. Рассеяние продольных акустических волн на совокупности малых сферических неоднородностей. Дефектоскопия, 1984, № 5, с. 14-19.

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

43. Ермолов И.Н. Методы ультразвуковой дефектоскопии, ч.1. -МГИ, 1967.-267 с.

44. Лопухов С.Н., Сопляченко В.Н., Поволоцкий Е.Г., Власов В.Г., СтукаловВ.Ф. Акустический контроль структуры монокристаллических сплавов. Дефектоскопия, 1983, № 11, с.44 - 48.

45. Глухов H.A., Детков А.Ю. Определение систематической погрешности измерителей времени распространения ультразвуковых колебаний в крупноструктурных материалах. Дефектоскопия, 1982, № 5, с.16-18.

46. Буденков Г.А., Гуревич СЮ. Современное состояние бесконтактных методов и средств ультразвукового контроля (обзор) -Дефектоскопия, 1981, .№ 5, с.5 33.

47. Лантух В.М., Гребенник B.C., Орлова Т.М. Неразрушающий контроль горячего металла слитков. Экспресс информация. Межотраслевые вопросы науки и техники. М.: ГОСИНТИ, 1967, вып. 2/5, С.1.

48. Лантух В.М,, Гребенник B.C., Орлова Т.М., Болотный В.М. Ультразвуковой контроль металла при высоких температурах. -Дефектоскопия, 1979, № 5, с.52-59.

49. Лантух В.М., Гребенник B.C. Исследование ложных сигналов в ультразвукопроводах искателей для контроля горячего металла. -Дефектоскопия, 1979, № 5, с.87-93.

50. Лантух В.М., Гребенник B.C. Исследование раздельно-совмещенных искателей с ультразвукопроводами для контроля горячего металла. Дефектоскопия, 1980, № 3, с. 18-24.

51. А.с. 657337 (СССР). Ультразвуковой преобразователь/В.М. Лантух, B.C. Гребенник. Опубл. в Б.И. 1979, № 14.

52. А.с. 657356 (СССР). Способ ультразвукового контроля металла. /В.М. Лантух, B.C. Гребенник. Опубл. в Б.И. 1979, № 27.

53. Лантух В.М. Исследование помехозащищенности контроля изделий раздельно- совмещенными искателями с ультразвукопроводами. ~ Дефектоскопия, 1980, № 4, с.15-22.

54. Апарин Г.А., Городецкий И.Е. Допуски и технические измерения. М., Машгиз, 1956.- 734 с.

55. Зайдаль А.Н. Элементарные оценки ошибок измерений. Л.: Наука, 1968.-96с.

56. Саиткулов В.Г. Контроль толщины стенок литых охлаждаемых лопаток авиационных ГТД. Авиационная промышленность, 1985, № 5, с.75-76.

57. А. с. 932230 (СССР). Ультразвуковой способ контроля толщины/ В. Г. Саиткулов, В. К. Кузнецов, Г. И. Денисова. Опубл. В Б.И., 1982, № 20.

58. Соболь И.М. Монте-Карло. М., «Наука», 1972.- 64 с.

59. Численные методы Монте-Карло, И.М. Соболь. Главная редакция физико-математической литературы из ва «Наука», 1973, - 312 с.

60. Саиткулов В.Г., Гребенник B.C. Исследование погрешности импульсных толщиномеров с совмещенным преобразователем при контроле клиновидных слоев. Дефектоскопия, 1975, №5, с.71 - 81.

61. Rumjantsev S.V., Saitculov V.G., Asarov N.T. The mathematical model of parts' profiles in ultrasonic thickness control technology. Jn: Proc. ofthe tenth World conference on non destructive testing, Moscow, USSR, 26 Avgust, 1982, p. 3 9-47.

62. А. С. 697919 (СССР). Устройство для ультразвукового контроля / В.М. Лантух. Опубл. в Б. И., 1979, № 42.

63. Г.Корн, Т. Корн. Справочник по математике. Для научных работников и инженеров. М., 1978 г.832 стр. с пл., с. 717 719.

64. Зайнуллин Ф.Р., Саиткулов В.Г. «Ультразвуковой толщиномер для контроля корродированных труб»./ Материалы 51 -ой республиканской научной конференции. Сборник научных трудов аспирантов. Казань: КГАСА, 2000 г., с.78-80.

65. Зайнуллин Ф.Р. «Обработка сигнала в импульсном ультразвуковом толщиномере»./Сборник тезисов. Международная научно техническая конференция «Проектирование и эксплуатация электронных средств», Таганрог, 2000 г.

66. Зайнуллин Ф.Р. «Контроль малых толщин»./ Сборник тезисов. Международная научно техническая конференция «Проектирование и эксплуатация электронных средств», Таганрог, 2000 г.98

67. Зайнуллин Ф.Р. «Многоуровневый способ фиксирования момента времени прихода отраженного сигнала»./ Сборник тезисов, Международная научно техническая конференция «Проектирование и эксплуатация электронных средств», Таганрог, 2000 г.

68. Саиткулов В.Г., Зайнуллин Ф.Р. Решение о выдаче патента на заявку №99111273/28(012011), МПК 7001 В 17/02 «Ультразвуковой способ определения толщины изделия»

69. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО СВЯЗИ И ИНФОРМАТИЗАЦИИ

70. МОСКОВСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ СВЯЗИ И ИНФОРМАТИКИ

71. Председатель конкурсной комиссии, ректор Московского технического / университета связи и информатики академикроссийское агентствопо пл'1 £н гам и товарным знакам (роспатент)

72. При переписке просим ссшаться на номер заявки и сообщить дату получения данной корреспонденции1. РЕШЕНИЕ О ВЫДАЧЕ

73. Е ПАТЕНТА НА ИЗОБРЕТЕНИЕ • СВИДЕТЕЛЬСТВА НА ПОЛЕЗНУЮ МОДЕЛЬ

74. Заявка № 9 91И 273/28(012011) (22) 5 т а поступления заявки 31.05. 99

75. Дата начала сг"чет? срока действия патента 31.05. 99 Дата Перевода международной заявки на национ. ; ую фазу

76. Номер приоритетной заявки (32) Дата подачи П|»ивритетной заявки (33) Код страныиз которой данная заявка выделена из которой данная заявка выделенап о 1. Заявка № Заяь;.а № ЕА

77. Номер*"публикации и дата публикации заявки РСТ

78. Заявитель(и) Казанский Государственный техничс N ж университег им.А.Н.Туполева, Ки Автор(ы) Зайнуллин Ф.Р., Саиткулов В.Г., Ки

79. Патентообладатель(и) Казанский Государстве! 1 технический университет им.А.Н.Туполева,указать код страны)1. МПК7О01 В 17/021. Название л >тразвуковой способ определения толщины изделиясм. на обороте}1. ДОМ oi.ii.2om 284303

80. Мы, нижеподписавшиеся, представитель исполнителяА

81. ГорТЬИлВ Ю. Ф. (должность, фамилия, инициалы)

82. Вице- президент- техническийс одной стороны и представитель заказчика , , ч1 1 (должность, фамилия, инициалы)директор Кудряшов В.Н.

83. С другой стороны, составили настоящий акт о том, что научно-техническая продукция удовлетворяет условиям договораудовлетворяет, не удовлетворяет условиям договора и технического задания1. Л Лммммммммили иного документа, дата утверждения)

84. И в надлежащем порядке оформлена.

85. Краткое описание научно-технической продукцииакустоэлектронный миниметр в комплекте с 3-мя ультразвуковымцпреобразователями, конструкторская документация.

86. Эффективность научно-технической продукции и ссылка на документ, ее обосновывающий1. Л л1.".л

87. ГЦ И СИ ТатЦСМ провел испытания ультразвуковых толщиномеров УТ-901А, разработанных и изготовленных ООО "Мера" 42004 X РФ, Татарстан, Казань, а/я 74).

88. Испытания проводились в период с 11.05.2000г. по 22.05.2000г. на основании заявки от 28.02.2000г. исх. № 743/01.

89. ГЦ и СИ ТатЦСМ были представлены пять экземпляров олщигЮмеровУТ-901А сзаводскимй'Номерами 101, 102, 103. 104, 105.

90. На испытания была представг ч следующая документация на олщиномер ультразвуковой УТ-901 А: -руководство по эксплуатации; -паспорт;-методика поверки; -описание для Госреесгра; -фотографии.

91. Краткие технические характеристики:

92. Диапазон измеряемых толщин, мм от 2 до 30

93. Погрешность измерения толщмны, мм ±0,1

94. Габаритные размеры, мм не более 165x70x304. Масса, кг не более 0,35

95. Температура окружающей сред. I, fAC от + 5 до + 30

96. Межповсрочный интервал, год !

97. Ознакомившись с представленнАши толщиномерами УТ-901А и iccMOTpeB документацию на них, ЦГЦ и СИ ТатЦСМ признал эигодность толщиномеров и документации для проведения !пыта"чй.

98. Наименование видов п/п испытаний и проверокведомсхл-ьсоответствия испытанных ультразвуковых толщтоомеров УТ-901А требованиям технических документащш1. Требования технич. №1011. Документа

99. По:г гчено фактически №102 №103 №1041051. Сведения о соответствии1 2

100. Внешний вид, маркировка, комплектность31. МПп.бЛ ЮппЛ.З 184