Исследование корреляционных методов обработки акустических сигналов и разработка ультразвуковых толщиномеров с расширенным диапазоном измерений

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.