Устройство для калибровки ультразвукового зонда

Полезная модель относится к устройствам для калибровки чувствительных элементов ультразвуковых (УЗ) дефектоскопов - зондов, имеющих пространственные направления излучения ультразвуковых зондирующих сигналов с углами ввода и . Такие зоны используются для исследований объектов сложной формы, например, железнодорожных рельсов. Устройство может быть использовано при изготовлении и эксплуатации УЗ зондов.

Заявляемое устройство содержит стандартный образец по ГОСТ 18576-96, установленный на поворотном столе с маркированными углами вращения, и держатель зонда на оси вращения поворотного стола.

Заявляемое устройство может быть использовано для калибровки, как одиночных электроакустических преобразователей, так и зондов, выполненных в виде «лыжи» или колеса. Применение полезной модели позволяет повысить качество ультразвуковой дефектоскопии.

Полезная модель относится к устройствам для калибровки чувствительных элементов ультразвуковых (УЗ) дефектоскопов - зондов, имеющих сложные пространственные направления излучения ультразвуковых зондирующих сигналов. Такие зоны используются для исследований объектов сложной формы, например, железнодорожных рельсов. Устройство может быть использовано при изготовлении и эксплуатации УЗ зондов.

При УЗ дефектоскопии объектов используются электроакустические преобразователи (ЭАП), обеспечивающие излучение УЗ зондирующих сигналов и прием УЗ сигналов отраженных от дефектов. [1]. Для исследования всего объема объекта перемещают ЭАП по поверхности объекта, а зондирование осуществляется с шагом, выбранным, исходя из требований по разрешающей способности. Однако дефекты могут оказаться параллельными направлению зондирования, тогда для обнаружения дефектов произвольной ориентации необходимо использовать нескольких ЭАП с разными углами ввода УЗ колебаний и объединенных конструктивно в зонд. Для изменения угла ввода УЗ колебаний в объект ЭАП снабжают преломляющей призмой, обеспечивающей поворот УЗ колебаний на угол по отношению к оси перпендикулярной к поверхности объекта. Как правило, указанный угол лежит в плоскости перемещения ЭАП.

Для исследования объектов сложной формы, например, рельсов, приходится использовать ультразвуковые зонды, у которых ЭАП повернут на угол по отношению к направлению перемещения: [2], [3]. Для достоверного исследования состояния рельсов, как правило, требуется несколько ЭАП, имеющих разные углы ввода УЗ колебаний и , направленных на определенный участок рельса, друг на друга и т.п.

УЗ зонды могут быть выполнены в разных конструктивных вариантах: одиночный ЭАП, зонд в форме «лыжи» [4] или колеса [5], [6], [7].

Наиболее близким к заявляемому является устройство для калибровки ультразвуковых приборов - стандартный образец [8], выполненный в виде объемного тела, имеющего измерительную плоскость и параллельные ей опорную плоскость и внутреннее сквозное цилиндрическое отверстие, стандартный образец снабжен метками углов ввода ультразвукового излучения, такими, что если точка ввода ультразвукового излучения зонда располагается на измерительной поверхности стандартного образца, на метке , а зонд имеет направление ультразвукового излучения с углом , лежащее в плоскости зондирования - перпендикулярной образующей отверстия, то ультразвуковое излучение зонда отражается от образующей отверстия в обратном направлении.

Такое устройство позволяет выполнить калибровку ЭАП, т.е. проверить точность изготовления самого ЭАП и призмы, с точки зрения правильности угла - ввода УЗ колебаний в стандартный образец.

Недостатком данного прибора является ограниченный круг задач - возможность калибровки только таких зондов, у которых направление излучения совпадает с направлением перемещения ЭАП - по одному углу .

Качество УЗ дефектоскопии рельсов в значительной степени зависит от точности излучения/приема УЗ зондирующих сигналов. Источниками неточностей могут являться качество изготовления ЭАП преобразователя, поворотной призмы, а также точность установки ЭАП в зонде.

Задачей, решаемой заявляемой полезной моделью является создание простого и дешевого устройства, обеспечивающего калибровку УЗ зондов различного конструктивного исполнения с пространственным углом ввода УЗ колебаний {, }.

Для решения этой задачи устройство для калибровки ультразвукового зонда, содержащее стандартный образец, выполненный в виде объемного тела, имеющего измерительную плоскость и параллельные ей опорную плоскость и внутреннее сквозное цилиндрическое отверстие, стандартный образец снабжен метками углов ввода ультразвукового излучения, такими, что если точка ввода ультразвукового излучения зонда располагается на измерительной поверхности стандартного образца, на метке , а зонд имеет направление ультразвукового излучения с углом , лежащее в плоскости зондирования - перпендикулярной образующей отверстия, то ультразвуковое излучение зонда отражается от образующей отверстия в обратном направлении, дополнительно содержит неподвижную базу, поворотный стол, держатель зонда и метки углового положения поворотного стола, поворотный стол установлен на оси вращения, закрепленной в базе, поворотный стол имеет установочную плоскость перпендикулярную оси вращения, на которой опорной плоскостью размещен стандартный образец, и направляющую для линейного перемещения стандартного образца по опорной плоскости вдоль плоскости зондирования, держатель зонда неподвижно закреплен на базе и выполнен так, чтобы точка ввода ультразвукового излучения зонда находилась в точке пересечения измерительной поверхности стандартного образца с осью вращения поворотного стола.

Существенными отличиями заявляемого устройства по сравнению с прототипом являются:

Наличие неподвижной базы с поворотным столом, установленным на неподвижной оси вращения, позволяет изменять угловое положение стандартного образца по отношению к ЭАП. Это обстоятельство позволяет измерять не только угол ввода УЗ колебаний , но и угол между направлениями излучения и перемещения .

В прототипе измеряется только угол .

Наличие направляющей для линейного перемещения стандартного образца по опорной плоскости поворотного стола вдоль плоскости зондирования позволяет обеспечить высокую точность установки ЭАП и стандартного образца, как по угловым, так и по линейным перемещениям, а, следовательно, провести калибровку ЭАП с высокой точностью.

В прототипе установка и перемещение ЭАП осуществляется вручную «на глаз», т.е. не точно.

Наличие держателя зонда неподвижно закрепленного на базе также позволяет производить измерения с высокой точностью, но по схеме принципиально отличающейся от прототипа: в прототипе перемещают зонд по отношению к стандартному образцу, а в заявляемом устройстве - наоборот.

Кроме того, в заявляемом устройстве имеется возможность калибровки зонда, т.е. устройств различного конструктивного исполнения, в которых размещены ЭАП. Это обстоятельство позволяет проверить не только точность изготовления ЭАП и его призмы, но и качество сборки всего зонда.

Прототип пригоден только для калибровки одиночных ЭАП. Заявляемую полезную модель иллюстрируют следующие графические материалы:

Фиг.1 - устройство для калибровки ЭАП по углу , где:

1. Зонд - электроакустический преобразователь.

2. Стандартный образец.

3. Измерительная плоскость.

4. Опорная плоскость.

5. Отверстие.

6. Метки углов ввода ультразвуковых колебаний .

7. База.

8. Поворотный стол.

9. Держатель зонда.

10. Метки углового положения поворотного стола.

11. Ось вращения поворотного стола.

12. Установочная плоскость.

13. Направляющие.

14. Метка направления излучения ЭАП.

Фиг.2 - устройство для калибровки ЭАП по углу .

Фиг.3 - устройство для калибровки зонда в виде «лыжи», где:

15. Зонд в виде «лыжи».

16. Держатель «лыжи».

Фиг.4 - устройство для калибровки зонда в виде «колеса», где:

17. Зонд в виде «колеса».

18. Держатель «колеса».

Электроакустический преобразователь 1 - простейший зонд предназначен для излучения зондирующих сигналов и приема отраженных сигналов. ЭАП 1 имеет призму с углом ввода для излучения УЗ колебаний в объект при работе и в стандартный образец 2 при калибровке. Любой ЭАП имеет определенную диаграмму направленности излучения УЗ колебаний. Под направлением излучения мы будем понимать ось центрального лепестка, а под точкой ввода - пересечение этой оси с соответствующей поверхностью. ЭАП 1 имеет, фиг.1, на корпусе маркировку угла ввода УЗ колебаний и метку 14, указывающую на направление излучения по плоскости зондирования. Электроакустический преобразователь 1 выполнен в виде пьезоэлектрической пластины, способной преобразовывать электрические сигналы в акустические волны и наоборот. Для обеспечения акустического контакта ЭАП 1 может снабжаться механизмом прижима, например, пружиной, а, кроме того, поверхность стандартного образца может смачиваться контактирующей жидкостью или специальным гелем.

Стандартный образец 2 предназначен для приема через свою измерительную плоскость 3 УЗ сигналов от ЭАП 1 под углом , зеркального отражения этого сигнала от цилиндрического отверстия 4 (сверление в стандартном образце) и приема отраженного сигнала ЭАП 1. Стандартный образец 2 имеет метки 6 для установки ЭАП 1 зонда 1, 14 или 16, которые проградуированы в углах .

Опорная плоскость 4 стандартного образца 2 предназначена для его установки на установочную плоскость 12 поворотного стола 8 и перемещения стандартного образца 2 по его направляющей (им) 13, т.е. по оси X, фиг.1, 2.

Держатель зонда 9 предназначен для фиксации ЭАП 1 на измерительной плоскости 3 стандартного образца 2 на оси вращения 11 поворотного стола 8. Держатель должен обеспечивать акустический контакт ЭАП 1 со стандартным образцом. Конструкция держателя зависит от вида зонда и может иметь вид 16, фиг.3 или 18, фиг.4.

Метки углового положения поворотного стола 10 в данном случае размещены на базе 7 и позволяют определить угол - поворота стандартного образца 2 на поворотном столе 8 относительно

Направляющая 13 в данном случае выполнена в виде параллельных бортов поворотного стола 8.

Зонд может быть выполнен в виде «лыжи» 15, фиг.3, в которой размещаются несколько разнонаправленных ЭАП. Каждый из них имеет крепежные элементы для установки. В этом случае держатель зонда имеет вид 15.

Если зонд выполнен в виде «колеса» 17, фиг.3, то ЭАП 1 располагается внутри акустически прозрачной оболочки колеса, заполненной жидкостью. При этом точка ввода УЗ колебаний располагается в месте контакта колеса 17 с измерительной плоскостью 3 стандартного образца 2. В том случае держатель зонда имеет вид 18.

Рассмотрим работу заявляемого устройства при калибровке одиночного ЭАП 1, фиг.1.

Устанавливают стандартный образец 2 опорной плоскостью 4 на установочную плоскость 12 поворотного стола 8 по направляющим 13. ЭАП 1, имеющий угол ввода УЗ колебаний , закрепляют в держателе зонда 9, так, чтобы центр излучения ЭАП 1 находился на оси вращения 11 поворотного стола 8, а отметка направления излучения 14 на корпусе ЭАП 1 совпадала с осью X. Перемещают стандартный образец 2 так, чтобы ЭАП 1 оказался по меткам 6 углов ввода ультразвуковых колебаний на метке равной . Излучают ЭАП 1 УЗ колебания и принимают УЗ сигналы, отраженные от отверстия 5. Перемещают ЭАП 1 по оси Х по направляющим 13 и вращают ЭАП 1, добиваясь максимальной амплитуды отраженного сигнала. Получив такой сигнал, по меткам 6 уточняют реальный угол ввода УЗ колебаний у измеряемого ЭАП 1, а также точность отметки его направления излучения. При необходимости корректируют положение метки направления излучения 14. При не совпадении объявленного производителем угла излучения реальному принимают решение о выбраковке ЭАП 1. Данный режим измерений известен и в принципе совпадает с режимом измерений описанным в [2].

Если калибруемый ЭАП 1 будет использоваться с направлением излучения не по оси X, а с углом , фиг.2, то по меткам 10 устанавливают поворотный стол 8 на требуемый угол и повторяют описанные выше действия. В результате чего на ЭАП 1 будет установлена другая метка 14, соответствующая заданному углу , а также оценен реальный угол ввода УЗ колебаний данного ЭАП 1.

При использовании в качестве зонда - 1 «лыжи», фиг.3 необходимо установить закрепить «лыжу» 15 на базе 7 при помощи держателя 16 так, чтобы центр излучения ЭАП 1 находился на оси вращения 11 поворотного стола 8. При этом продольная ось «лыжи» должна совпадать с осью 19 держателя 16, фиг.2. Перемещая стандартный образец 2 по оси Х по направляющим 13 и, вращая ЭАП 1, добиваются максимальной амплитуды отраженного сигнала.

При использовании в качестве зонда - 1 «колеса», фиг.4 необходимо установить закрепить «колесо» 17 на базе 7 при помощи держателя 18 так, чтобы центр излучения ЭАП 1 находился на оси вращения 11 поворотного стола 8. При этом продольная ось «колеса» должна совпадать с осью 19 держателя 16, фиг.2. Перемещая стандартный образец 2 по оси Х по направляющим 13 и, вращая ЭАП 1, добиваются максимальной амплитуды отраженного сигнала.

В результате этих манипуляций появляется возможность более точно проверить качество изготовления ЭАП и их установки в ультразвуковой зонд.

Таким образом, заявляемое устройство позволяет произвести калибровку, как одиночных ЭАП, так и ультразвуковых зондов с пространственными углами излучения УЗ колебаний и , а за счет этого повысить качество дефектоскопии объектов сложной формы.

Источники информации:

1. Марков А.А. Ультразвуковая дефектоскопия рельсов., 2-е изд. перераб. и доп. - СПб.: Образование - Культура, 2008. 283 с.

2. Патент RU 2184960.

3. Патент RU 2184374.

4. Патент GB 1506214.

5. Патент RU 89235.

6. Патент WO 9701094.

7. Патент US 6604421.

8. ГОСТ 18576-96.

Устройство для калибровки ультразвукового зонда, содержащее стандартный образец, выполненный в виде объемного тела, имеющего измерительную плоскость и параллельные ей опорную плоскость и внутреннее сквозное цилиндрическое отверстие, стандартный образец снабжен метками углов ввода ультразвукового излучения, такими, что, если точка ввода ультразвукового излучения зонда располагается на измерительной поверхности стандартного образца, на метке , а зонд имеет направление ультразвукового излучения с углом , лежащее в плоскости зондирования перпендикулярной образующей отверстия, то ультразвуковое излучение зонда отражается от образующей отверстия в обратном направлении, отличающееся наличием неподвижной базы, поворотного стола, держателя зонда и меток углового положения поворотного стола, поворотный стол установлен на оси вращения, закрепленной в базе, поворотный стол имеет установочную плоскость, перпендикулярную оси вращения, на которой опорной плоскостью размещен стандартный образец, и направляющую для линейного перемещения стандартного образца по опорной плоскости вдоль плоскости зондирования, держатель зонда неподвижно закреплен на базе и выполнен так, чтобы точка ввода ультразвукового излучения зонда находилась в точке пересечения измерительной поверхности стандартного образца с осью вращения поворотного стола.