PL211835B1

PL211835B1 - Urządzenie do nieniszczącego badania wyrobów metalurgicznych, zwłaszcza rur

Info

Publication number: PL211835B1
Application number: PL369231A
Authority: PL
Inventors: Bernard Bisiaux; Michel Vahe; Guillaume Cretenot
Original assignee: Vallourec & Mannesmann Tubes
Priority date: 2001-12-13
Filing date: 2002-12-11
Publication date: 2012-06-29
Also published as: CN1602424A; RU2004121216A; RU2292042C2; RO123344B1; CA2469605A1; JP2005512088A; US20050156364A1; PL369231A1; US7429352B2; EP1454132B1; ES2389355T3; EP1454132A1; CA2469605C; FR2833706A1; AU2002361441A1; BR0214900A; CN100387981C; BRPI0214900B1; JP4235558B2; FR2833706B1

Description

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do nieniszczącego badania wyrobów metalurgicznych, zwłaszcza rur.

Wytwarzanie rur przeprowadza się na ogół automatycznie, o ile jest to tylko możliwe. Po zakończeniu procesu wytwarzania, rury poddawane są badaniu nieniszczącemu za pomocą ultradźwięków, w celu selektywnego wykrywania w tych rurach jednej lub wielu wad, na podstawie następujących testów: wady powierzchniowe mające w przybliżeniu kierunek wzdłużny i/lub poprzeczny, po stronie wewnętrznej i/lub po stronie zewnętrznej; wady grubości i/lub w grubości; badane są również średnica wewnętrzna i średnica zewnętrzna.

Kontrolując całkowicie objętość rur, rury napędza się ruchem względnym śrubowym w stosunku do czujników ultradźwiękowych, a ultradźwięki emitowane są impulsami, o dużej szybkości, z częstotliwością wysyłania zwaną „rekurencyjną”.

Pośrednie sprzężenie czujnika z rurą, wykonuje się w cieczy, na ogół w wodzie. W praktyce, w celu wykrycia różnych wymienionych wad, przewiduje się czujniki z podłużnymi falami ultradźwiękowymi, które „sonifikują” rurę zależnie od ich różnych kątów odchylenia. Kąty odchylenia dostosowane są w zależności od licznych parametrów, którymi są wymiary rury, jej własności przenoszenia ultradźwięków, rodzaje poszukiwanych wad, itd.

Częstotliwość rekurencyjna wysyłania impulsów ograniczona jest przez czas przebiegu, tam i z powrotem, ultradźwięków w cieczy łączącej, i w metalu rur. Wydłużony czas przebiegu zmusza wówczas do zmniejszenia częstotliwości rekurencyjnej, a przez to - wydajności badania nieniszczącego.

Według niektórych znanych przykładów wykonania, czujniki są nieruchome, a rura napędzana jest ruchem śrubowym.

Według innych znanych przykładów wykonania, czujniki ultradźwiękowe lub czujniki dotykowe napędzane są ruchem obrotowym z prędkością około kilku tysięcy obrotów na minutę, dokoła rury przemieszczającej się z prędkością liniową, która może dojść aż do około 1 metra na sekundę.

W jeszcze innych znanych przykładach wykonania, stosuje się czujnik utworzony z wielu ultradźwiękowych elementów przetwornikowych, otaczających rurę. Kolejne wzbudzanie grup elementów przetwornikowych, umożliwia „tworzenie” wiązki ultradźwiękowej, do której może być dołączona rura pod odpowiednim kątem nachylenia. Ta rura umożliwia również obracanie wiązki dokoła rury przez przełączanie grup elementów wzbudzonych, i w konsekwencji, zastępowanie mechanicznego ruchu obrotowego czujników, opisanego powyżej, przez elektroniczne przeszukiwanie (FR-A-2 796 153).

Szczególnym przypadkiem badania, jest badanie rury bez szwu otrzymanej przez „przebijanie” na gorąco prętów między walcami. Ten sposób wytwarzania prowadzi do wad zwanych „skośnymi” lub jeszcze o linii spiralnej, które tworzą niewielką skośność w stosunku do osi rury. Ta skośność może być dodatnia lub ujemna, zależnie od kierunku nachylenia linii spiralnej.

Skośność wad zależy od zakresu wytwarzania, które jest stosowane, a w niektórych przypadkach, od stadium tworzenia się wady. To dlatego, jedno i to samo urządzenie do badania musi badać wówczas wady, których skośność może zmieniać się między -20° i +20°, a nawet więcej.

Otóż, najmniejsza skośność wprowadza silne tłumienie echa odbitego przez wady wówczas, gdy nachylenie wiązki zostało zoptymalizowane, aby wykrywać wady dokładnie podłużne.

Patent US 3 924 453 opisuje klasyczne czujniki, które powodują kąt rozbieżności wiązki ultradźwiękowej w płaszczyźnie przechodzącej przez oś rury (sposób zwany „toroidalnie rozbieżny”). Jednak, zakres wykrywalnej skośności jest w tym przypadku ograniczony.

Ponadto, użytkowanie czujników wieloelementowych umożliwia tworzenie wiązki ultradźwiękowej, której odchylenie przystosowane jest do wykrywania skośności danej wady, umożliwiając w teorii rozwiązanie tego problemu. Taka wiązka umożliwia wówczas dopasowanie każdego impulsu w taki sposób, aby każdy impuls odpowiadał optymalnemu kątowi padania dla danej skośności.

Każdy impuls narzuca czas rozchodzenia się fal w wodzie, obejmując czas rozchodzenia się (tam i z powrotem, lub wiele razy) w rurze, i ponownie, czas rozchodzenia się w wodzie w drodze powrotnej. Jeśli przewidywane jest wielokrotne wysyłanie impulsów w funkcji liczby żądanych kątów padania, to w istocie, ta technologia ma małe zastosowanie przemysłowe, zwłaszcza z powodu skumulowanego czasu rozchodzenia się fal, który sprawia, że wielokrotne wysyłanie impulsów staje się niemożliwe. Te skumulowane czasy rozchodzenia się fal są cechami fizycznymi, które nie mogą pogarszać się wraz z upływem czasu.

PL 211 835 B1

Celem wynalazku jest poprawienie tej sytuacji, poprzez zwiększenie wydajności urządzenia do badania, zachowując dobrą wykrywalność wad, zwłaszcza wad skośności w stosunku do osi rury.

Zgodnie z wynalazkiem, urządzenie do nieniszczącego badania wyrobów metalurgicznych, zwłaszcza rur, posiadające czujnikowe urządzenie ultradźwiękowe zawierające zespół selektywnie dostępnych ultradźwiękowych elementów przetwornikowych, obwód sterujący na wejściu, selektywnego wzbudzania elementów przetwornikowych w wybranych chwilach, obwód na wyjściu, zbierania sygnałów odebranych na powrocie przez elementy przetwornikowe, moduł przetwarzania, analizy sygnałów odebranych, stanowiących całkowitą odpowiedź wyrobów metalurgicznych na wzbudzanie ultradźwiękowe, charakteryzuje się tym, że obwód sterujący na wejściu połączony jest z czujnikowym urządzeniem ultradźwiękowym, przy czym impulsy sterowane przez ten obwód skojarzone są z tym samym rozkładem opóźnień, emisji fal ultradźwiękowych, wzbudzania elementów przetwornikowych, a obwód na wyjściu zawiera pamięć, w której zapisane są próbki sygnałów odebranych przez każdy element przetwornikowy, zgodnie z każdym impulsem, na czasowo wybraną głębokość, przy czym moduł przetwarzania połączony jest z pamięcią, który powtarzalnie dla każdego impulsu, zawiera odczyt i sumowanie grup próbek sygnałów odebranych odpowiadających różnym elementom przetwornikowym, jak i chwilom przesunięcia od jednego elementu przetwornikowego do drugiego, zgodnie z wybranym czasowym prawem przetwarzania, właściwym dla każdego powtórzenia, z obliczeniem dla każdego impulsu szeregu odpowiedzi odtworzonych, z których każda odpowiada odchyleniu przy emisji, i z przeprowadzeniem analizy całkowitej odpowiedzi utworzonej przez zespół tych odtworzonych odpowiedzi, a ultradźwiękowe elementy przetwornikowe mają kąt rozbieżności emitowanej wiązki ultradźwiękowej, co najmniej równy kątowi maksymalnego odchylenia, dla odpowiedzi odtworzonych.

Korzystnie, obwód na wyjściu zawiera konwerter analogowo-cyfrowy sygnałów odebranych przez każdy z elementów przetwornikowych czujnikowego urządzenia ultradźwiękowego.

Korzystnie, konwerter analogowo-cyfrowy połączony jest z pamięcią zawierającą zapisane dane liczbowe stanowiących próbki sygnałów skojarzone odpowiednio z chwilami, oraz z aktywnymi elementami przetwornikowymi przetwarzania próbek sygnałów odebranych przez każdy element przetwornikowy.

Korzystnie, moduł przetwarzania zawiera elementy określania rozkładów opóźnień dla sygnałów odebranych, i otrzymania, dla każdego rozkładu, odpowiedzi odtworzonej, która odpowiada impulsowi zgodnemu z wybranym odchyleniem wiązki.

Korzystnie, moduł przetwarzania zawiera elementy selekcji dostępu do pamięci w funkcji czasu skojarzonego z próbkami, dla każdego elementu przetwornikowego.

Korzystnie, obwód sterujący na wejściu obejmuje rozkład opóźnień, który odpowiada wzbudzeniu elementów przetwornikowych, zasadniczo bez przesunięcia fazowego między nimi.

Korzystnie, obwód sterujący na wejściu obejmuje rozkład opóźnień, który odpowiada wzbudzeniu elementów przetwornikowych, z, między innymi, przesunięciami fazowymi określającymi wiązkę odchyloną przy emisji, oraz jeśli bazując na tym rozkładzie opóźnień, skonfigurowany zostaje moduł przetwarzania określania rozkładów opóźnień dla sygnałów odebranych, z uwzględnieniem przesunięć fazowych między elementami przetwornikowymi wzbudzanymi tak, że każda odpowiedź odtworzona odpowiada jednemu odchyleniu ześrodkowanemu dokoła kąta fizycznego odchylenia wiązki przeznaczonej do emisji.

Korzystnie, każda zsumowana grupa próbek odpowiada jednemu podzespołowi wybranemu z elementów przetwornikowych jako czujnikowi wirtualnemu.

Korzystnie, moduł przetwarzania określa szereg elementarnych odpowiedzi odtworzonych wyrobu na ten sam impuls przy tym samym odchyleniu dla różnych podzespołów czujnikowego urządzenia ultradźwiękowego.

Korzystnie, moduł przetwarzania określa ponadto odpowiedź odtworzoną w postaci funkcji elementarnych odpowiedzi odtworzonych dla tego samego odchylenia i dla różnych podzespołów czujnikowego urządzenia ultradźwiękowego.

Korzystnie, odpowiedź odtworzona wyrobu na impuls przy odchyleniu jest odpowiedzią elementarną, która ma amplitudę o maksymalnym piku.

Korzystnie, moduł przetwarzania określa odpowiedzi odtworzone dla różnych odchyleń, z różnymi podzespołami czujnikowego urządzenia ultradźwiękowego.

Korzystnie, różne podzespoły czujnikowego urządzenia ultradźwiękowego zawierają, do określania odpowiedzi odtworzonej wyrobu na impuls przy odchyleniu, zasadniczo tę samą ilość elementów przetwornikowych.

PL 211 835 B1

Korzystnie, podzespoły czujnikowego urządzenia ultradźwiękowego wybrane są przy wykluczeniu na każdym końcu taśmy zabezpieczającej, w której ilość elementów przetwornikowych jest bliska połowie ilości elementów przetwornikowych podzespołu.

Korzystnie, dwa kolejne podzespoły pozostają wysunięte, jeden z drugiego, przez przesunięcie o skok zakładkowy.

Korzystnie, dwa kolejne podzespoły zawierają elementy wspólne.

Korzystnie, wybrana liczba podzespołów czujnikowego urządzenia ultradźwiękowego dla określenia odpowiedzi odtworzonej przy odchyleniu zasadniczo odpowiada maksymalnej liczbie możliwych podzespołów dla wybranego skoku zakładkowego i dla liczby NV elementów wybranych spośród elementów NT - NV.

Korzystnie, urządzenie do badania wyrobów metalurgicznych typu rur stalowych, charakteryzuje się tym, że zawiera elementy do napędu rur stalowych ruchem śrubowym dokoła osi tych rur stalowych, oraz gdy czujnikowe urządzenie ultradźwiękowe wykonane jest w postaci listwy montażowej z elementami przetwornikowymi rozstawionymi zasadniczo równolegle do osi rury stalowej, i rozmieszczonymi tak, że wiązka ultradźwiękowa przy emisji ma wybrane odchylenie w płaszczyźnie przekroju poprzecznego tej rury stalowej.

Korzystnie, urządzenie do badania wyrobów metalurgicznych typu rur stalowych, charakteryzuje się tym, że zawiera elementy do napędu rur stalowych zgodnie z ruchem prostoliniowym wzdłuż ich osi, oraz jeśli czujnikowe urządzenie ultradźwiękowe wykonane jest w postaci listwy montażowej z elementami przetwornikowymi rozstawionymi zasadniczo równolegle do osi rury stalowej i rozmieszczonymi tak, że wiązka ultradźwiękowa przy emisji ma wybrane odchylenie w płaszczyźnie przekroju poprzecznego rur stalowych, przy czym ta listwa montażowa napędzana jest obrotowo dokoła rur.

Korzystnie, urządzenie do badania wyrobów metalurgicznych typu rur stalowych, charakteryzuje się tym, że zawiera elementy do napędu rur stalowych zgodnie z ruchem prostoliniowym wzdłuż ich osi, oraz jeśli czujnikowe urządzenie ultradźwiękowe wykonane jest w postaci listwy montażowej z elementami przetwornikowymi, zasadniczo w kształcie łuku koła, przy czym ta listwa montażowa usytuowana jest dokoła rur stalowych.

Korzystnie, urządzenie ponadto zawiera elementy do napędu rur według prostoliniowego ruchu wzdłuż ich osi, oraz jeśli czujnikowe urządzenie ultradźwiękowe zawiera sieć elementów przetwornikowych rozmieszczonych zasadniczo wzdłuż cylindrycznej powierzchni współosiowej z rurą, w wielu szeregach elementów równoległych względem siebie i do osi rury, oraz jeśli obwód na wyjściu i moduł przetwarzania określają rozkład opóźnień na sygnałach odebranych na powrocie przez elementy przetwornikowe podzespołu lub zespołu sieci.

Korzystnie, moduł przetwarzania zawarty jest w obwodzie na wyjściu.

Zatem, na podstawie jedynego impulsu, można wywnioskować wiele odpowiedzi ultradźwiękowych, każda odpowiadająca jednemu „symulowanemu kątowi padania, wybrana w późniejszym czasie.

Według jednej z korzyści, którą zapewnia niniejszy wynalazek, szybkość analizy wyrobów metalurgicznych nie jest, więc już ograniczona tylko do koniecznych czasów przetwarzania.

Wynalazek może mieć wiele różnych wariantów, zwłaszcza następujących, które mogą być ze sobą zestawione:

- w każdym impulsie emisji, czasowe prawo wzbudzenia może nie zawierać żadnego przesunięcia fazowego między elementami przetwornikowymi; wynalazek może także zawierać takie przesunięcia fazowe; można jeszcze przewidywać obydwa, to jest impuls bez przesunięcia fazowego, i jeden lub kilka impulsów z przesunięciami fazowymi, jak tylko zachowa się wielo-przetwarzalność każdego impulsu,

- impuls lub impulsy z przesunięciami fazowymi mogą służyć do ułatwiania definicji określonej później (wielo-przetwarzalność) z dużymi odchyleniami wiązki, dla których tłumienie fal ultradźwiękowych musiałoby być wzięte pod uwagę,

- jest przewidziany względny ruch śrubowy między rurami i ultradźwiękowym urządzeniem czujnikowym, przemieszczając rurę lub czujnik lub obydwa te elementy,

- czujnik może być jednowymiarowy, to znaczy być listwą montażową z elementami przetwornikowymi, umieszczonym w przybliżeniu równolegle do osi przemieszczania rur, lub też listwą, co najmniej częściowo wygiętą (na przykład, bryłą cylindryczną, lub bryłą o kształcie wycinka cylindra), otaczającą rurę,

- moduł przetwarzania może być utworzony, aby obrabiać sygnały powrotne przez grupy oddzielnych elementów listwy montażowej. To tworzy za każdym razem czujnik wirtualny, za pomocą

PL 211 835 B1 podzespołu elementów przetwornikowych czujnika. Tak więc, wysyła się impuls jednocześnie zespołem elementów czujnika, podczas gdy przy każdym impulsie analizuje się później sygnały otrzymane przez różne czujniki wirtualne, dla jednego (lub każdego) żądanego prawa przesunięcia fazowego,

- czujnikowe urządzenie ultradźwiękowe może zawierać sieć dwuwymiarowych elementów przetwornikowych (nie koniecznie płaskich); można tam odróżnić rzędy i szeregi. Rzędy i/lub szeregi mogą być użyte podobnie jak wymieniony czujnik jednowymiarowy; taka sieć dwuwymiarowych czujników zwana jest mozaiką,

- czujnik mozaikowy może służyć do wykrywania wad skośności, bez konieczności względnego, fizycznego przemieszczania śrubowego; w rezultacie, umożliwia się obrót elektroniczny wiązki; przez obrót elektroniczny rozumie się obróbkę różnymi czujnikami wirtualnymi, które są odpowiednimi do kołowego przeszukiwania wyrobów (co najmniej częściowo, dopełnienie ruchu obrotowego jest konieczne do zrealizowania przez fizyczne przemieszczenie); obwód dolny utworzony jest wówczas, aby określić rozkłady opóźnień, jednocześnie między elementami tego samego szeregu i między elementami tego samego rzędu.

Przedmiot wynalazku uwidoczniony jest w przykładach wykonania na rysunku, na którym:

- fig. 1 przedstawia rurę T, która ma wadę skośności D,

- fig. 2A przedstawia urządzenie do badań ultradźwiękowych, z wybranym kątem padania w płaszczyźnie przekroju podłużnego rury T przechodzącej przez oś tej rury,

- fig. 2B przedstawia urządzenie do badań ultradźwiękowych, z wybranym kątem padania, w płaszczyźnie przekroju poprzecznego rury T,

- fig. 3 przedstawia schematycznie czujniki Ci i opóźnienia τί do zastosowania w celu utworzenia najpierw odchylenia a promienia ultradźwięków R1,

- fig. 4 przedstawia wykres pokazujący padania wiązki ultradźwięków do zastosowania dla skośności β wady występującej w rurze,

- fig. 5 przedstawia impuls ultradźwiękowy, z kolumną wody CE materializującą interfejs między czujnikiem C i rurą T, który to impuls ultradźwiękowy przebiega najpierw przez wodę, a następnie przez metal rury T,

- fig. 6 przedstawia schematycznie urządzenie do wykrywania wad według niniejszego wynalazku,

- fig. 7 przedstawia schematycznie kąt rozbieżności wiązki ultradźwiękowej δ wiązki F1, którą emituje czujnik ultradźwiękowy C, o danej szerokości L,

- fig. 8 przedstawia schematycznie wybrane intensywności w otrzymanych sygnałach, bez uwzględnienia ogniskowania zastosowanego do wiązki ultradźwiękowej (zakreskowanie pionowe), i z uwęględnieniem tego ogniskowania (za-kreskowanie poziome),

- fig. 9 przedstawia wykres całkowitych czasów rozchodzenia się fal ultradźwiękowych i czasu obliczeniowego (rzędne w mikrosekundach) w funkcji liczby skośności z wadą, które mogą być wykryte (na osi odciętych), według znanego stanu techniki (linie przerywane krótkie i długie) i zgodnie z wynalazkiem (linia ciągła), i przez sposób optymalizowany zgodnie z niniejszym wynalazkiem (linie przerywane),

- fig. 10 przedstawia amplitudę sygnału otrzymanego na podstawie wiązki początkowej nieodchylonej, dla szeregu skośności β wady wykrytej czujnikiem z fig. 6, i czujnikiem standardowym używanym w technice klasycznej (linie krzywe, punktowe),

- fig. 10B i 10A przedstawiają linie krzywe sygnałów A-SCAN otrzymane na wadach skośności, odpowiednio, zgodnie z wynalazkiem, i techniką wysyłania impulsów o zmniejszonej prędkości, znaną ze stanu techniki,

- fig. 11 przedstawia utratę podatności (przez tłumienie akustyczne) dla dużych zamierzonych skośności, z techniką wysyłania impulsów o zmniejszonej prędkości (linia krzywa ciągła), i techniką pojedynczego impulsu według wynalazku (krzywa linia punktowa),

- fig. 12 przedstawia urządzenie do badań ultradźwiękowych, w wykonaniu stosującym czujnik w kształcie łuku,

- fig. 13 przedstawia urządzenie do badań ultradźwiękowych, w wykonaniu stosującym czujnik „mozaikowy”,

- fig. 14 przedstawia charakterystykę nacięcia w funkcji względnych położeń nacięcia i listwy montażowej, dla czujników wirtualnych zestawionych i złożonych z 8 elementów, a

- fig. 15 przedstawia charakterystykę nacięcia w funkcji względnych położeń nacięcia i listwy montażowej, dla czujników wirtualnych nałożonych na siebie w 50% i złożonych z 8 elementów.

PL 211 835 B1

Poniższy opis i rysunki w zasadzie zawierają elementy o określonym charakterze. Będą one mogły więc nie tylko służyć lepszemu zrozumieniu niniejszego wynalazku, ale także przyczynić się do jego zdefiniowania.

Nawiązuje się przede wszystkim do fig. 1, na której rura T, na wyjściu linii produkcyjnej ma wadę skośności D, o skośności β w stosunku do osi podłużnej rury. W szczególności, w procesie wytwarzania rur bez szwu, w którym na gorąco wbija się metalowe pręty między cylindry, rury T mają czasami takie wady, o kształcie spirali, z pewną skośnością β w stosunku do osi rury T.

Jak pokazano na fig. 2A, urządzenie do nieniszczącego badania rur T, zawiera czujnik C, utworzony z jednego lub z wielu ultradźwiękowych elementów przetwornikowych, które „bonifikują” rurę T poprzez emisję fal ultradźwiękowych przy stopniu wzbudzenia, zwanym częstotliwością rekurencyjna, na przykład, o wartości zbliżonej do 4 KHz. Zasadniczo, sprzężenie między czujnikiem ultradźwiękowym i metalową rurą T jest pośrednie. Kolumna cieczy, w szczególności wody, generowana jest między czujnikiem C i tą rurą tak, aby fale ultradźwiękowe emitowane przez czujnik rozchodziły się najpierw w wodzie, a następnie w rurze.

Padanie wiązki ultradźwięków emitowanej przez czujniki C może być określone, w przestrzeni, przez dwa kąty padania. Jak pokazano na fig. 2A, promień padania R1 tworzy z normalną N do rury kąt ol (odchylenie osiowe lub wzdłużne) w płaszczyźnie przekroju podłużnego rury T, która to płaszczyzna zawiera oś rury. Drugim kątem, który umożliwia określenie padania wiązki ultradźwięków jest kąt ol pokazany na fig. 2B. Promień R1, który emituje czujnik C, tworzy kąt ol w stosunku do normalnej N rury T. Ten kąt ol (odchylenie poprzeczne) określony jest w płaszczyźnie przekroju poprzecznego, prostopadłej do osi rury T.

Wada skośności D umiejscowiona jest w zasadzie na zewnętrznej lub wewnętrznej powierzchni rury T lub w pobliżu tych powierzchni. Wada ta zawiera składową wzdłużną, jak i składową poprzeczną, których stosunek jest funkcją kąta skośności β tej wady. Skośność β określona jest w stosunku do tworzącej cylindrycznej rury T, równolegle do osi tej rury i może być dodatnia lub ujemna.

Sama rura ma na ogół względny ruch śrubowy w stosunku do czujnika C, aby kontrolować zasadniczo całą powierzchnię rury. Wzdłuż osi tej rury, składowa względnego ruchu śrubowego jest prostoliniowa, o prędkości zasadniczo stałej mogącej dojść aż do około 1 metra/sekundę. Składowa obrotowa względnego ruchu śrubowego może być wywołana przez ruch obrotowy czujnika dokoła osi rury lub przez ruch obrotowy rury dokoła swojej osi, przy czym czujnik jest nieruchomy, lub przez kombinację tych dwóch ruchów obrotowych. W obu przypadkach, czujnik ustawiony jest tak, aby mógł wysyłać wiązki w kierunku rury zgodnie z odchyleniem poprzecznym o kącie ol zbliżonym do 17°, aby wykrywać wady podłużne, albo wzdłuż odchylenia osiowego o kącie ot zbliżonym do 17°, aby wykrywać wady poprzeczne. Te odchylenia o katach ol i ot mają różne wartości dla ośrodka propagacji innego niż woda, i dla rur z materiału innego niż stal. Ustawienie może być z góry określone (nieregulowane) lub regulowane mechanicznie w pewnym zakresie, ale dopasowywanie jest długie i skomplikowane.

W stanie techniki, bardziej zaawansowanym, stosuje się szereg elementów przetwornikowych Ci (fig. 3), których normalna jest prostopadła do rury. Do elementów przetwornikowych stosuje się poszczególne opóźnienia emisji τί, aby utworzyć przesunięcie fazowe pomiędzy poszczególnymi emitowanymi falami elementarnymi Oi, co tłumaczy się różnicą w przesunięciu pomiędzy falami emitowanymi Ri. Wiązka, która wynika z zespołu fal emitowanych ma zatem energię maksymalną według odchylenia a, regulowaną elektronicznie przez sterowanie chwilą emisji elementów przetwornikowych Ci. To dlatego całość zastosowanych opóźnień emisji ii określa rozkład opóźnień, zwany prawem fazy lub prawem czasowym, na sieci czujników Ci, a w następstwie odchylenie a wiązki emisyjnej wynikającej z różnych fal emitowanych Ri.

Elementy przetwornikowe umieszczone są na listwie montażowej 3. Znając skok pe pomiędzy każdym elementem przetwornikowym Ci, można zbudować rozkład opóźnień do zastosowania w emisji dla różnych elementów przetwornikowych (prawo fazy), aby otrzymywać dane odchylenie a, na podstawie wzoru (1):

sin a = V^dt / pe, w którym dt jest opóźnieniem do zastosowania pomiędzy dwoma kolejnymi elementami, a V odpowiada prędkości podłużnej fali ultradźwiękowej w wodzie (V=1490 mus ). Wiązka tak utworzona i odchylona pod kątem a dochodzi do rury według kąta padania a, inaczej mówiąc kąt padania względem obiektu jest praktycznie kątem odchylenia wiązki.

PL 211 835 B1

Aby usłyszeć sygnał w sposób optymalny, to znaczy w kierunku kąta padania promieniowania, stosuje się to samo prawo fazy do sygnałów odbitych przez wadę i otrzymuje się je z powrotem przez różne elementy przetwornikowe Ci.

Można również wzbudzić kolejne grupy elementów przetwornikowych Ci, aby realizować elektroniczne przeszukiwanie, na przykład, dokoła rury, jeśli elementy przetwornikowe Ci są łukami koła lub równoważnymi krzywymi.

Na ogół, wady skośności są trudne do wykrywania jednocześnie z wadami wzdłużnymi, zwłaszcza dlatego, że zoptymalizowane padanie wiązki ultradźwięków do badania długich wad wywołuje silnie tłumioną odpowiedź na wadach skośności, a nawet niewielkich wadach skośności. Na przykład, tłumienie przekracza na ogół współczynnik 2, dla skośności wady 5°. Otóż, zmierza się tu do wykrywania jednocześnie wad podłużnych i skośnych (jeśli możliwe, ze skośnością zawartą co najmniej od +35° do -35°, bez utraty dokładności badania).

Wykrywanie wad skośności wymaga wówczas konieczności dostosowania kątów aL i aT, które zmieniają się wraz ze skośnością wady. W rezultacie, nawiązując do fig. 4, okazuje się, że optimum dla wykrycia wady podłużnej (β = 0) odpowiada wartości 17° dla kąta aL, podczas gdy kąt ατ wynosi zero. Te wartości aL i ατ mają oczywiście przeciwny kierunek dla wad skośności 90° (wada poprzeczna). Na przykład, dla skośności β wynoszącej 45°, kąty aL i ατ odpowiadają odchyleniom o wartości około 12°, w płaszczyźnie poprzecznej i odpowiednio w płaszczyźnie podłużnej (fig. 2A i fig. 2B).

W rzeczywistości, dla skośności mniejszych od 30°, zmiany kąta aL są stosunkowo małe i mogą być pominięte (zmiana o 3° kąta na plus na początku zmniejszania się aL w funkcji skośności β). Natomiast, wprowadzenie kąta a^ umożliwia wykrywanie wad skośności ze skośnością mniejszą od 30° wartości absolutnej.

Zatem, kiedy podjęta zostaje próba wykrycia wad skośności, doprowadza się do ustalenia wartości ccl na 17° i zmienia się a w płaszczyźnie przekroju podłużnego rury T, na przykład, w zakresie przemieszczenia zawartego między -10° i +10°, w celu wykrycia możliwie różnych skośności, w tym także skośności zerowej (wady podłużne).

Aby wykryć wady skośności, można wykorzystać sposób optyczny (zwany toroidalnie rozbieżny), który polega na spowodowaniu kąta rozbieżności wiązki ultradźwiękowej, za pomocą soczewki, w płaszczyźnie podłużnej rury, i na ogniskowaniu tej wiązki w płaszczyźnie prostopadłej (fig. 2B). Przystępuje się zatem do stosunkowo ograniczonego pola wykrywania rzędu 10° dokoła zamierzonej skośności (-10° < a_T < +10°). Poza tym, ten sposób wykazuje niedogodność zmiennej czułości na skośność, która jest zmienna zgodnie ze skośnością. Można więc wykrywać niedoskonałości, które byłyby do zaakceptowania, a pozostawiać wady nie do przyjęcia.

Inny sposób według niniejszego wynalazku polega na tworzeniu wiązki odchylonej pod kątem aT za pomocą czujnika w postaci listwy montażowej zawierającej wiele elementów przetwornikowych, przy czym kąt aL ustalony jest przez konfigurację komórki (korzystnie blisko 17°).

Jak pokazano na fig. 7, czujnik C emituje w rezultacie wiązkę F1 ultradźwięków, której skrajny brzeg tworzy, z normalną czujnika C, kąt δ, zwany kątem rozbieżności wiązki ultradźwiękowej (lub kątem otwarcia). Kąt rozbieżności wiązki ultradźwiękowej δ podany jest przez wzór (2);

Sin δ = 1,22 λ / L, gdzie λ jest długością fal wiązki w wodzie, a L jest szerokością elementu przetwornikowego czujnika (fig. 7). W rezultacie, kąt rozbieżności wiązki ultradźwiękowej pozostaje większy niż maksymalny kąt aj (11°), aby wykrywać skośności o kącie β = 30°. Ten kąt rozbieżności wiązki stosuje się korzystnie, aby osiągnąć pożądane wartości a_x.

Na przykład, dla ultradźwięków emitowanych w wodzie o 5 MHz z elementów przetwornikowych Ci o szerokości 1,4 mm z listwy montażowej 3, kąt δ ma wartość około 15°.

Stosując prawo fazy przystosowane do emisji elementów przetwornikowych Ci według wzoru (1) i fig. 3, można tworzyć wiązkę odchyloną o kąt ay tak, że wartość aj jest mniejsza od kąta rozbieżności wiązki ultradźwiękowej δ określonej wzorem (2). Możliwe jest wówczas dostosowanie kąta aT „elektronicznie”, modyfikując prawo fazy, bez konieczności ustawiania czujnika w tym kierunku. Stosuje się wówczas to samo prawo fazy do sygnałów otrzymywanych przy powrocie, i sumuje się sygnały otrzymywane na powrocie, a więc przesunięte w fazie, aby otrzymywać odpowiedź całkowicie zmaksymalizowaną.

Ten sposób, rozważany przez Zgłaszającego, umożliwia zmierzanie do danej skośności, z poprawną i znaną czułością, oraz uzyskanie jednolitej odpowiedzi dla różnych możliwych wad skośności

PL 211 835 B1 rury. Załączona tablica A1 zawiera wyniki wstępnych prób odchylenia αγ wiązki w celu wykrycia wad skośności (sposobem wielo-impulsowym).

Dokładniej, te wyniki dotyczą amplitudy echa otrzymanego na powrocie dla różnych wad skośności, i różnych wartości odchylenia ατ wiązki, oraz wartości zwiększenia wzmocnienia sygnałów. Wartości wskazane, jako pogrubione odpowiadają wartościom odchylenia stosowanym do wykrycia danej skośności. Stwierdza się, że wyniki otrzymane dla zwiększenia wzmocnienia są zadowalające (23,5 dB dla nacięcia pod kątem 25°).

Ponadto, można kompensować zmianę wykrywalności w funkcji stosowanego odchylenia, a więc realizować jednolitą wykrywalność wad niezależnie od ich skośności.

Natomiast, dla każdej zamierzonej skośności, niezbędne jest wykonanie impulsu grupowego z elementów przetwornikowych czujnika. Zatem, jeśli poszukiwanych jest wiele wad skośności, to ta sama liczba impulsów ultradźwiękowych musi być przewidziana, ponieważ prawo swoistego opóźnienia w emisji i w odbiorze musi być przewidziane dla każdej zamierzonej skośności.

Jak pokazano na fig. 5, impuls ultradźwiękowy R1 składa się z przebiegu w wodzie T_e, po którym następuje przebieg w rurze Tm (przebieg użyteczny), przy czym te przebiegi trwają proporcjonalnie do grubości materiałów, w których następują te przebiegi. Z racji akustycznych, kolumna wody CE, która obejmuje interfejs między czujnikiem C i rurą T jest taka, że czas przebiegu w wodzie jest wyższy od czasu przebiegu w metalu rury.

W szczególności, całkowity czas impulsu ultradźwiękowego Tt określony jest zależnością:

Tt = Te + Tm, gdzie Te > Tm.

W zastosowaniu do wykrywania wielo-impulsowego wad skośności, jeśli n jest liczbą całkowitą zamierzonych skośności, całkowity czas Tt wyniesie:

^Tt = ⁿi^Te + ^Tm)

Dla klasycznego tempa impulsów stosowanych w przemyśle (zbliżonych do 4 KHz dla przeprowadzenia prostego badania wad podłużnych), można tylko zbadać jedną lub dwie skośności, oprócz wad podłużnych, techniką impulsów wielokrotnych w przypadku rur stosunkowo grubych (około 36 mm grubości), uwzględniając czasy rozchodzenia się wiązek ultradźwiękowych.

Wykrywanie wad skośnych, według niniejszego wynalazku, opiera się na jeszcze innej zasadzie.

Zgodnie z wynalazkiem, steruje się elementami przetwornikowymi Ci listwy montażowej 3 ustawionej równolegle do osi rury w taki sposób, że podczas emisji, wszystkie elementy wzbudzone są jednocześnie (w przybliżeniu bez przesunięcia fazowego). Inaczej mówiąc, „odchylenie fizyczne przy emisji” jest zerowe. Natomiast, odchylenie „wirtualne” wiązki utworzone jest na sygnałach powrotnych, przesuwając chwile, w których sumowane są sygnały otrzymywane dla każdego elementu przetwornikowego Ci.

Jak pokazano na fig. 6, elementy przetwornikowe Ci czujnika utworzone są, w opisanym przykładzie, wzdłuż listwy montażowej 3. Ta listwa jest nieruchoma w urządzeniu do badania i jej ogólny kierunek jest równoległy do osi badanej rury T.

Listwa montażowa 3 pochylona jest pod kątem ol bliskim 17° w stosunku do normalnej do rury w płaszczyźnie przekroju poprzecznego rury T (fig. 2B), a rura T wzdłuż swojej osi napędzana jest ruchem śrubowym. Kąt ol równy 17° odpowiada kątowi optymalnemu ol do wykrywania wad o małej skośności (β mniejsza od około 30°).

Elementy przetwornikowe Ci wzbudzane są przez obwód sterowania, aby emitować każdą impulsową falę ultradźwiękową Ri o częstotliwości ultradźwiękowej rzędu 5 MHz. Korzystnie, elementy przetwornikowe Ci sterowane są w taki sposób, że jednocześnie emitują fale, czyli zasadniczo bez przesunięcia fazowego. Fale ultradźwiękowe odbite przez wadę i odebrane podczas powrotu przez każdy z elementów przetwornikowych Ci przetwarzane są na sygnały elektryczne Si(t). Te analogowe sygnały Si(t) przetwarzane są odpowiednio przez konwertery analogowo-cyfrowe 2, funkcjonujące, na przykład, z częstotliwością 10 razy większą od częstotliwości ultradźwiękowej, albo 50 MHz.

Konwertery analogowo-cyfrowe 2 połączone są z pamięcią 4, aby zapisać, na czasowej głębokości wielu dziesiątek mikrosekund, dane liczbowe stanowiące próbki sygnału Sij (na przykład, dotyczące amplitudy), skojarzone odpowiednio z chwilami tj. W notacji Sij, wskaźnik i odpowiada elementowi identyfikacyjnemu Ci w listwie montażowej 3, podczas gdy wskaźnik j odpowiada identyfikatorowi chwili tj.

PL 211 835 B1

Moduł obliczeniowy urządzenia wybiera z pamięci 4 szereg próbek sygnałów Sij przesuniętych, z jednej strony, w funkcji wskaźnika i elementów przetwornikowych Ci, a z drugiej strony, w funkcji kolejnych chwil tj i sumy próbek sygnałów przesuniętych. Sumowanie może być dokonane, na przykład, w chwilowej amplitudzie, lub w każdy inny odpowiedni sposób.

Moduł przetwarzania 5 oznaczony na fig. 6, ilustruje, tytułem przykładu, sposób, którym wykonane są obliczenia, jak również strukturę pamięci 4. Moduł przetwarzania 5 może być rozpatrywany jako obwód lub element przetwarzający.

Pamięć 4 korzystnie rozmieszczona jest z adresami skojarzonymi ze wskaźnikiem kolumny i (odpowiadającym elementom przetwornikowym Ci), oraz ze wskaźnikiem linii j (odpowiadającym kolejnym chwilom tj).

Moduł przetwarzania 5 liczy opóźnienia dt do stosowania między kolejnymi kolumnami i według wzoru (1), przez odchylenie ąrdt = pe^sin a_T / V

Wartości opóźnienia dt są rzędu wielu dziesiątek nanosekund.

Moduł przetwarzania wybiera następnie, z dokładnością rzędu nanosekund, wartości Sij, w zespole kolumn elementów Ci, przesuniętych czasowo. Dokonuje się następnie sumowania tych próbek w każdej chwili tj, aby określić sygnał odpowiedzi ponowne utworzony dla odchylenie ąr ^Stj ^(ąT^{) = S}1,j ^+S2,j + 2 dt ^{+ S}3,j + 4dt ^{+ ... + S}n, j +2(n - 1)dt

Takie sumowanie umożliwia przywrócenie ustawienia w fazie na poziomie elementów przetwornikowych sygnałów emitowanych w tej samej chwili po przebyciu trasy z czasami przebycia tras, które różnią się o dt po przejściu w jedną stronę i o dt po przejściu powrotnym między dwoma elementami.

Obliczywszy wartość dt według wzoru (1), stosuje się sumowanie wykonane powyżej, aby zmaksymalizować energię wiązki w kierunku odchylenia ąr.

Tablica z załącznika A2 zawiera wyniki badania odchylenia ąr wiązki dla wykrycia wady skośności sposobem według niniejszego wynalazku. Ten sposób umożliwia określenie wartości podwójnego odchylenia (2 ąT) odpowiadającej przesunięciom fazowym o (2dt), w drodze tam i z powrotem. Dla różnych skośności, wartość (2 ąT) do stosowania odpowiada wartościom amplitud wskazanych w tablicy pogrubioną linią. Ta tablica podaje również wartości wzmocnienia dla różnych wartości ąr. Te wartości są akceptowalne nawet dla dużych wartości ąr.

Poprzednio, rozważano odstęp tymczasowy dt stały między kolejnymi chwilami tj co odpowiada prawu opóźnień liniowych NF (fig. 8) ze stałą dt. To prawo nie uwzględnia jednak ogniskowania, które można stosować w wiązce ultradźwięków na rurze. Aby uwzględnić to ogniskowanie w prawie opóźnień, przesunięcie fazowe dt zmniejsza się aż do minimum, a następnie powiększa aż do wartości początkowej. Jak pokazano na fig. 8, wybrane intensywności Sij tworzą, dla czasu tj, w matrycy modułu przetwarzającego 5 kolumn Ci i linii tj, linię FOC, która jest zakrzywiona.

Środki obróbkowe umożliwiają określenie odpowiedzi ponownie utworzonej dla różnych kątów odchylenia ąy.

Moduł 6 urządzenia odzyskuje sygnały odpowiedzi ponownie utworzonych St(a_T), aby wytworzyć sygnał bezpośrednio stosowany przez urządzenie wizualizacyjne 7 (ekran wizualizacyjny lub inny). Urządzenie 7 przedstawia wówczas sygnał zwany ASCAN zawierający impulsy ech ultradźwiękowych odtworzone w funkcji czasu i dla jednego lub szeregu wybranych odchyleń ąT.

Według jednej z korzyści, które zapewnia przedstawiony wynalazek, całkowity czas Tt dla zamierzonych n skośności, z uprzednio stosowanymi notacjami, jest wówczas ustalony przez zależność:

Tt = Te + Tm + n · Tcalc,

Tcalc jest czasem obliczonym, który może być wyrażony w funkcji Tm, skąd

Tt = Te + n · G· Tm, gdzie G jest współczynnikiem przedstawiającym prędkość obróbki przez łańcuch zawierający konwertery analogowo-cyfrowe 2, pamięć 4, selekcję intensywności w zestawie intensywności zmagazynowanej, itd. Zatem, im G jest mniejsze, tym prędkość przetwarzania jest większa.

Według jednej z korzyści, którą zapewnia niniejszy wynalazek, usuwa się zatem czas przebiegu w wodzie dla (n-1) skośności.

PL 211 835 B1

Dla aktualnych elementów elektronicznych i informatycznych, G jest zawsze mniejsze od 1, i może być mniejsze od 0,5 dla bardzo szybkich elementów elektronicznych. Ograniczenia nie są zatem już akustyczne, ale elektroniczne ponieważ czynnikiem ograniczającym jest, w niniejszym wynalazku, czas liczenia, który wymaga obróbki przedwstępnej. Ograniczenia nie są wówczas fizyczne, ale ewolucyjne, idące z postępem w szybkości obwodów elektronicznych.

Na fig. 9 przedstawiono, dla danej grubości rury, całkowity czas Tt dla wykrywania wad skośności, w funkcji ilości badanych skośności n. Ten wykres wykonany jest stosując technikę znaną ze stanu techniki, z uwielokrotnionymi impulsami (przesunięcie fazowe między elementami Ci, emisji dla każdego odchylenia aj, co odpowiada krzywej przerywanej z kreskami długimi i krótkimi). Stosuje się również technikę zgodną z wynalazkiem, z czynnikiem G równym i (linia krzywa ciągła) względem standardu elektronicznego, i z czynnikiem G równym 0,5 (linia krzywa punktowa) względem elektroniki bardzo szybkiej.

Zauważono, że im czynnik G jest mniejszy, tym czas konieczny dla zamierzonych wielu skośności, jest krótszy, co umożliwia zwiększenie prędkości badania rur, w szczególności w łańcuchu badania rur na wyjściu obróbki mechanicznej.

Urządzenie czujnikowe ma długość przystosowaną do skoku badania urządzenia, bądź przykładowo długości rzędu 100 mm. Otóż, wady do wykrycia, mają długość, która może w przybliżeniu być mniejsza, na przykład 20 mm. Wada o długości 100 mm, albo o długości ekwiwalentnej do listwy montażowej 3, wytwarza sygnał na każdym z elementów tej listwy, a więc intensywny sygnał odtworzony, przez sumowanie. Natomiast, wada o długości 20 mm wytwarza sygnał na 20% elementów listwy montażowej, a więc sygnał odnowiony 5 razy mniej intensywny niż sygnał dla wady 100 mm.

Niedokładność na długości 100 mm nieukryta głęboko będzie mogła z tego powodu być wykryta, a wada o długości mniejszej od 20 milimetrów może nie zostać wykryta.

Aby skompensować tę niedogodność, stosuje się rozwiązanie, które polega na wykonaniu obróbki na kilku elementach listwy montażowej 3, dla tego samego impulsu wszystkimi elementami tej listwy. Na przykład, można wykonywać obróbkę na ustawionych 8 elementach listwy montażowej 3 z 64 elementów, i zaczynać na nowo przetwarzanie na innych ustawieniach 8 elementów tej listwy. Grupa 8 elementów nazywa się „czujnikiem wirtualnym”.

Każde rozwiązanie daje więc, po zsumowaniu sygnałów Sij na 8 elementach, jeden odtworzony sygnał odpowiedzi elementarnej dla odchylenia aj. Można zatrzymać jako odpowiedź całkowicie odtworzoną, odtworzony sygnał elementarny spośród sygnałów odtworzonych o różnych rozmieszczeniach, który ma amplitudę o maksymalnym piku. Każde rozmieszczenie elementów „czujnika wirtualnego” wnioskuje się z poprzedniego rozmieszczenia przez przesunięcie o skok pi, zwany skokiem zakładkowym.

N_T jest liczbą całkowitą elementów listwy montażowej 3, a N_V jest liczbą elementów przetwornikowych czujnika wirtualnego. Wówczas, gdy skok zakładkowy zawarty jest między 1 i N_V, pozostając obowiązkowo niższy od Nv, następuje zachodzenie na siebie rozmieszczeń czujnika wirtualnego. Wtedy, gdy skok zakładkowy pi jest równy Nv, rozmieszczenia czujnika umieszczone są obok siebie. Wówczas, gdy skok zakładkowy jest większy od Nv, a mniejszy od NT, różne rozmieszczenia nie realizują całkowitego pokrycia elementów czujnika.

Wykonuje się maksymalną ilość razy obróbkę sygnałów na Nv elementów czujnika wirtualnego. Liczba możliwych rozmieszczeń określona jest wzorem (3):

N = obcięcie {( NT - NV) / pi} + 1

Na przykład,

- jeśli NT = 64, NV = 8 i pi = 1, wówczas N = 57. W tym przypadku, dwa kolejne rozmieszczenia mają 7 elementów wspólnych.

- jeśli NT = 64, NV = 8 i pi = 8, wówczas N = 57. W tym przypadku, dwa kolejne rozmieszczenia nie mają żadnego wspólnego elementu.

- jeśli NT = 64, NV 8 i pi = 4, wówczas N = 57. W tym przypadku, dwa kolejne rozmieszczenia mają 4 elementy wspólne, co odpowiada zakładce 50% kolejnych rozmieszczeń.

Po zatrzymaniu jako odpowiedzi odtworzonych całkowitych N rozmieszczeń, to rozmieszczenie, które ma maksymalną amplitudę piku dla poszukiwanego odchylenia aj, można podobnie wykonywać obliczenia dla innych wartości odchylenia aj.

PL 211 835 B1

W przykładzie wykonania, można określić najpierw różne sygnały odpowiedzi odtworzonej elementarnie dla różnych kątów a^, i rozmieszczenie czujnika wirtualnego, a następnie wykonać te same obliczenia dla innych rozmieszczeń.

Dla wszystkich przypadków, określa się odpowiedzi odtworzone całkowicie dla danego odchylenia, zatrzymując odpowiedź elementarną, która dla tego odchylenia, dostarcza amplitudę o maksymalnym piku.

Wówczas, gdy rozmieszczenia czujników wirtualnych, które ustawione są na końcach listwy montażowej, sygnał odpowiedzi jest zakłócony przy nieobecności elementów z obu stron czujnika wirtualnego. Dlatego, korzystne jest eliminowanie (NV/2) elementów na każdym końcu tej listwy, różnych rozmieszczeń czujnika wirtualnego.

Maksymalna ilość rozmieszczeń zmniejszona jest wówczas do:

N' = obcięcie {( NT - 2 NV) / pi} +1

Podobnie jak to pokazuje tablica według załącznika A2, sygnał odtworzony całkowicie jest wzmocniony w różny sposób dla każdej wartości aj, aby dokładność badania była równoważna dla różnych wartości a_x.

W odmianie wykonania, zwiększenie wzmocnienia będzie mogło być jednolite, podczas gdy próg wyłączenia wady przystosowany jest do każdej wartości a_x.

Zgłaszający wykonał próby „statyczne” badania wad skośności, na rurze stalowej, o średnicy 96 mm i o grubości 12 mm. Nacięcia o długości około 5% grubości rury zostały utworzone, aby symulować wady skośności. Skośność nacięć zawarta jest między 0° i 25°, a ich długość w kierunku podłużnym wynosi około 12 mm.

Skok pe między elementami wynosi 1,5 mm (z 1,4 mm o szerokości L dla jednego elementu). Urządzenie zawiera w sumie 32 elementy, z mechanicznym ogniskowaniem 50 mm w wodzie. W przykładzie użytej komórki, odchylenie a może być ustalone mechanicznie na 17°. Elektroniczne wykonanie stanowi elektronikę mająca możliwość zarządzania 32 elementami równolegle.

Uwzględniając geometrię elementów przetwornikowych, ich kąt rozbieżności wiązki ultradźwiękowej δ jest rzędu 15°, i jest zupełnie przystosowana do wartości odchylenia stosowanej dla wykrywania wad skośności dla skośności zawartej między -25° i +25°.

Badania statyczne wykonane były za pomocą czujnika wirtualnego z ośmioma elementami, aby analizować sygnał powrotny. Wada usytuowana jest na wprost czujnika wirtualnego. Taki czujnik wirtualny ma długość podsłuchu około 9 mm, dobrze przystosowaną do długości badanej wady (12 mm).

Jak widać na fig. 10, tłumienie odpowiedzi nacięcia w funkcji jego skośności (0°, 5° lub 10°) jest słabsze niż odpowiedź otrzymana z czujników klasycznych o szerokości zbliżonej do 10 mm. Zwykle, dla jednego czujnika klasycznego, tłumienie wynosi co najmniej 5 dB dla nacięcia 5°, podczas gdy tu użyte czujniki, znoszą tłumienie niższe od 1 dB dla tej samej skośności nacięcia.

Jednak, dla skośności β wyższej od +20° lub niższej od -20° (fig. 11), Zgłaszający stwierdził czułość trochę mniejszą na sygnały odpowiedzi odtworzonej (urządzenie według wynalazku), w stosunku do przypadku, gdyby zastosowano urządzenie wielo-impulsowe z tym samym rodzajem listwy, i za każdym razem impuls według poszukiwanej skośności preferencyjnej, co daje „dopasowaną drogę emisji-odbioru”.

W istocie, w urządzeniu według wynalazku, nie występuje wysłanie na wadzie wiązki wcześniej odchylonej (przy emisji) pod preferencyjnym kątem a, jak to może być dokonane w urządzeniu wieloimpulsowym. Wynalazek wykonuje tylko ustawienie w fazie bez przesunięcia sygnałów otrzymywanych, po ich pojawieniu się na elementach przetwornikowych. Te otrzymywane sygnały zawierają składową odbitą (dokładniej „uprzednio rozproszoną”) przez wadę; a to jest przywrócenie do przesunięcia fazowego, które umożliwia odtworzenie odpowiedzi elementarnej, a następnie odpowiedź całkowitą dla danego odchylenia a_x.

Ale to przywrócenie w fazie odbioru dotyczy sygnałów, które nie były przedmiotem ustawiania w fazie odpowiadającym emisji. Wynika stąd, że to przywrócenie dotyczy sygnałów otrzymywanych, które nie przeszły dokładnie odpowiedniej „drogi emisja-odbiór”. Na ogół, badania prowadzone przez Zgłaszającego pokazały, że w zwykłych warunkach operacyjnych, tłumienie względne (od jednego elementu czujnikowego do drugiego), które wynika z tej różnicy drogi było wystarczająco małe, aby pozostać bez znaczenia, w każdym razie w pewnym zakresie skośności.

PL 211 835 B1

Oprócz opisanych korzyści ze stosowania urządzenia według wynalazku, ponadto zwiększa się wydajności badania dla wielu skośności równoważąc na plus niedogodność o małej czułości.

Na fig. 10A i 10B pokazano rejestrację A-SCAN tej samej wady o skośności 20°, odpowiednio na urządzeniu wielo-impulsowym i na urządzeniu do obróbki zwanej „wykrywaniem wtórnym” według wynalazku. Na fig. 10A i 10B pokazano, że dwa rodzaje urządzenia umożliwiają równolegle wykrywać wady o skośności 20°. Na tych figurach, sygnał EI oznacza echo granicy faz woda/stal, a sygnał ED oznacza echo wady. Odcinek prosty o amplitudzie 30% odpowiada kryterium wady (wejście chwilowe i intensywność).

Zgłaszający dokonał również prób dynamicznych, aby określić zwłaszcza użyteczne strefy wykrywania czujnikami wirtualnymi. Te próby dynamiczne wykonane były na tych samych rurach jak poprzednio, ale z nacięciem o długości 20 mm i o skośności β = 0°, aby określić dziury wykrywania. Zatem, skośność wady nie wpływa na pomiar. Próby zostały wykonane na podstawie tego samego materiału jak dla prób statycznych, i z komórki mechanicznej urządzenia typu do dopasowania kąta ol- Kąt ol zoptymalizowany został na sygnał pochodzący z zewnętrznej wady podłużnej (β = 0°).

Na fig. 14 i 15 pokazano odpowiedź nacięcia o długości 20 mm w funkcji względnych położeń nacięcia i listwy montażowej z 32 elementami o całkowitej długości 48 mm, dla dwóch szeregów rozmieszczeń czujnika wirtualnego utworzonego z 8 elementów.

Dla skoku zakładkowego pi = 8 elementów, rozmieszczenia kolejne nie pokrywają się bezpośrednio i nie zachodzą na siebie, jak w klasycznej konfiguracji z czujnikami o średnicy 15 mm.

Na fig. 14 pokazano użyteczną strefę czujnika od - 2dB do 31 milimetrów, bądź 65% listwy. Dziury wykrywania są mniejsze od 1,5 dB i mają długość wystarczająco małą, aby nie tracić wykrywania nacięć o długości 25 mm.

Dla skoku zakładkowego pi = 4 elementy, rozmieszczenia kolejne bezpośrednio zakrywają się lub zachodzą na siebie w 50%. Nie stwierdzono już dziur wykrywania, ale ilość rozmieszczeń i czasy obliczania są również podwójne.

Wykonane próby statyczne i dynamiczne pokazują, że urządzenie z obróbką wykrywania według wynalazku, umożliwia wykrywanie wad skośności zawartych między -20° i 20°.

Aby osiągnąć wartości skośności wyższe od 20°, można stosować urządzenie i metodologię z obróbką wykrywania wtórnego realizując przesunięcie fazowe na jedynym impulsie wszystkich elementów urządzenia czujnikowego tak, aby utworzyć wiązkę posiadającą nie zerowe „odchylenie fizyczne od emisji”, na przykład 5°.

Obróbka sygnałów odebranych podczas powrotu, jest podobna do obróbki opisanej powyżej, która zawiera zapamiętywanie próbek Sij, wybór wartości Sij przesuniętych według prawa opóźnienia i sumowanie tych wartości przesuniętych dla każdego obliczenia odpowiedzi odtworzonej przy odchyleniu ot. Sygnał zawrócony przez wadę jest wówczas mniej stłumiony dla znacznych odchyleń a_x, i można lepiej wykorzystywać zdolności kąta rozbieżności wiązki ultradźwiękowej δ elementów Ci listwy montażowej 3.

Jednak ten sposób ma pewne niedogodności. W rezultacie, optymalizacja odchylenia a_L nie jest już wykonana na wadzie prostej (β = 0°), ale na wadzie o skośności 20°. Ponadto, ten sposób nie umożliwia wykrywania znacznych skośności dodatnich i ujemnych, a przemieszczanie rozmieszczeń czujników wirtualnych może być wykonane, jako bardziej złożone przez wykorzystanie impulsów z przesunięciem fazowym przy emisji.

Na fig. 12 przedstawiono inny przykład wykonania urządzenia według wynalazku, przeznaczonego do badania wad podłużnych na rurach. To urządzenie czujnikowe utworzone jest z listwy montażowej o kształcie łuku koła 13, a różne elementy czujnika umieszczone są wzdłuż łuku koła. Badane rury T są przemieszczane wzdłuż swoich osi, a płaszczyzna tej listwy jest prostopadła do osi tych rur.

Wykonuje się impuls na zespół Nt elementów czujnika, z lub bez przesunięcia fazowego między elementami. Wykonuje się tę samą obróbkę wykrywania jak opisano powyżej, aby określić odpowiedź odtworzoną dla danego odchylenia ol, i dla różnych czujników wirtualnych w pręcie tak, aby zrealizować, na przykład, obrót elektroniczny wiązki dokoła rury, jak wskazano powyżej.

Na fig. 13 przedstawiono jeszcze inny przykład wykonania według wynalazku. Urządzenie czujnikowe umieszczone jest na cylindrycznej powierzchni i utworzone jest z mozaiki lub sieci elementów umieszczonych w szeregach równoległych względem siebie, na przykład 13-1, ...13-i, ...13-n, jak pokazano na rysunku. W przykładzie wykonania, każdy szereg jest tworzącą powierzchni cylindrycznej

PL 211 835 B1 czujnika. Badane rury przemieszczane są wzdłuż swoich osi, współosiowo do powierzchni cylindrycznej czujnika.

Na fig. 12 i 13, obwód sterowania (lub obwód górny dla emisji) oznaczony jest liczbą 10, a zespół odbiorczy (lub obwód dolny) oznaczony jest liczbą 13.

Obwód górny 10 wytwarza ten sam impuls ze wszystkich elementów przetwornikowych, z lub bez przesunięcia fazowego między sąsiednimi elementami. W przypadku z fig. 13, na przykład, można realizować przesunięcie fazowe między kolejnymi szeregami tak, aby tworzyć wiązkę pochyloną w sposób optymalny w płaszczyźnie prostego przekroju rury (odchylenie ol zbliżone jest do 17°), ale bez przesunięcia fazowego między elementami tego samego szeregu, i realizować obrót elektroniczny wiązki dokoła rury stosując różne czujniki wirtualne.

Wykonuje się obróbkę wykrywania na sygnałach powrotnych wprowadzonych do pamięci, zgodnie z wynalazkiem, aby odtwarzać sygnał odpowiedzi dla optymalizowanych kątów o_l (około 17°) i kątów ot zawartych między -5° i +5°.

Takie urządzenie z czujnikiem mozaikowym umożliwia badanie wielu skośności o wysokim tempie (od -20° do +20°) z przesunięciem prostoliniowym rur w urządzeniu w przeciwieństwie do urządzeń opisanych uprzednio, które stosowały posuw śrubowy, aby wykrywać wady skośności.

Można także wybierać na tym urządzeniu prawa do odchylania, w sposób zmienny, ale wybrany, wiązki powracającej wzdłuż prostego przekroju rur, lub wzdłuż płaszczyzny wzdłużnej rur, aby zoptymalizować kąty o_t i o_l (na przykład, o_t = 17°z o_t = 0°, o_t = 13°z o_t = 11°).

Jest możliwe stosowanie dwuwymiarowych czujników wirtualnych w tym urządzeniu. W tym przypadku, czujniki przemieszczane są o jeden skok zakładkowy pi mający składową osiową i składową obwodową.

Opisane urządzenia mają wspólną zdolność do zwiększania tempa badania wykonując jedynie obróbkę wykrywania sygnału powrotnego. Jest możliwe zastosowanie uproszczeń opisanych przykładów wykonania, podobnie jak i kombinacji cech opisanych w przykładach, zwłaszcza w funkcji rodzaju badania, które zamierza się wykonać, razem lub oddzielnie.

Załączniki

T a b l i c a 1 A1

Odchylenie ai (°)	Wzmocnienie (dB)	Amplituda echa na nacięciu według skośności (%)
0	5	10	15	20	25	45
0	14,4	90	50	10
1	15,4	70	90	40	15
3	15,8	10	55	90	55	20
4	16,8		20	75	90	30	10
5	20			55	>100	90	30
7	23,5			10	40	83	90

T a b l i c a 2 A2

Podwójne odchylenie 2 a_T (°)	Wzmocnienie (dB)	Amplituda echa na nacięciu według skośności (%)
0	5	10	15	20	25	45
0	11	90	53	10
3	12	20	90	20
6	15,5		20	90	10
8	20,5	25	20	35	90	10
11	32,2	80	50	35	50	90
16	40	>100	>100	90	65	65	70

PL 211 835 B1

Zastrzeżenia patentowe

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Urządzenie do nieniszczącego badania wyrobów metalurgicznych, zwłaszcza rur, posiadające:

- czujnikowe urządzenie ultradźwiękowe zawierające zespół selektywnie dostępnych ultradźwiękowych elementów przetwornikowych,

- obwód sterujący na wejściu, selektywnego wzbudzania elementów przetwornikowych w wybranych chwilach,

- obwód na wyjściu, zbierania sygnałów odebranych na powrocie przez elementy przetwornikowe,

- moduł przetwarzania, analizy sygnałów odebranych, stanowiących całkowitą odpowiedź wyrobów metalurgicznych na wzbudzanie ultradźwiękowe, znamienne tym, że obwód sterujący (1 na wejściu połączony jest z czujnikowym urządzeniem ultradźwiękowym, przy czym impulsy sterowane przez ten obwód skojarzone są z tym samym rozkładem opóźnień, emisji fal ultradźwiękowych, wzbudzania elementów przetwornikowych (Ci), a obwód na wyjściu zawiera pamięć (4), w której zapisane są próbki sygnałów odebranych (Sij) przez każdy element przetwornikowy (Ci), zgodnie z każdym impulsem, na czasowo wybraną głębokość, przy czym moduł przetwarzania (5) połączony jest z pamięcią (4), który powtarzalnie dla każdego impulsu, zawiera odczyt i sumowanie grup próbek sygnałów odebranych (Sij) odpowiadających różnym elementom przetwornikowym (Ci), jak i chwilom (tj) przesunięcia od jednego elementu przetwornikowego (Ci) do drugiego, zgodnie z wybranym czasowym prawem przetwarzania, właściwym dla każdego powtórzenia, z obliczeniem dla każdego impulsu szeregu odpowiedzi odtworzonych (S_T, ot), z których każda odpowiada odchyleniu (ot) przy emisji, i z przeprowadzeniem analizy całkowitej odpowiedzi utworzonej przez zespół tych odtworzonych odpowiedzi, a ultradźwiękowe elementy przetwornikowe (Ci) mają kąt rozbieżności emitowanej wiązki ultradźwiękowej (β) co najmniej równy kątowi maksymalnego odchylenia, dla odpowiedzi odtworzonych.
2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że obwód na wyjściu zawiera konwerter analogowo-cyfrowy (2) sygnałów odebranych przez każdy z elementów przetwornikowych (Ci) czujnikowego urządzenia ultradźwiękowego.
3. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że konwerter analogowo-cyfrowy (2) połączony jest z pamięcią (4) zawierającą zapisane dane liczbowe stanowiące próbki sygnałów (Sij) skojarzone odpowiednio z chwilami (tj), oraz z aktywnymi elementami przetwornikowymi (Ci) przetwarzania próbek sygnałów (Sij) odebranych przez każdy element przetwornikowy (Ci).
4. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że moduł przetwarzania (5) zawiera elementy określania rozkładów opóźnień dla sygnałów odebranych, i otrzymania, dla każdego rozkładu, odpowiedzi odtworzonej, która odpowiada impulsowi zgodnemu z wybranym odchyleniem (Oj) wiązki.
5. Urządzenie według zastrz. 4, znamienne tym, że moduł przetwarzania (5) zawiera elementy selekcji dostępu do pamięci (4) w funkcji czasu skojarzonego z próbkami (Sij), dla każdego elementu przetwornikowego (Ci).
6. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że obwód sterujący (1) na wejściu obejmuje rozkład opóźnień, który odpowiada wzbudzeniu elementów przetwornikowych (Ci), zasadniczo bez przesunięcia fazowego między nimi.
7. Urządzenie według zastrz. 6, znamienne tym, że obwód sterujący (1) na wejściu obejmuje rozkład opóźnień, który odpowiada wzbudzeniu elementów przetwornikowych (Ci) z, między innymi, przesunięciami fazowymi określającymi wiązkę odchyloną przy emisji oraz tym, że bazując na tym rozkładzie opóźnień, skonfigurowany zostaje moduł przetwarzania (5) określania rozkładów opóźnień dla sygnałów odebranych, z uwzględnieniem przesunięć fazowych między elementami przetwornikowymi (Ci) wzbudzanymi tak, że każda odpowiedź odtworzona odpowiada jednemu odchyleniu (Oj) ześrodkowanemu dokoła kąta fizycznego odchylenia wiązki przeznaczonej do emisji.
8. Urządzenie według zastrz. 3 albo 5, znamienne tym, że każda zsumowana grupa próbek (Sij) odpowiada jednemu podzespołowi wybranemu z elementów przetwornikowych (Ci) jako czujnikowi wirtualnemu.
9. Urządzenie według zastrz. 7, znamienne tym, że moduł przetwarzania (5) określa szereg elementarnych odpowiedzi odtworzonych wyrobu na ten sam impuls przy tym samym odchyleniu (Oj) dla różnych podzespołów czujnikowego urządzenia ultradźwiękowego.
10. Urządzenie według zastrz. 9, znamienne tym, że moduł przetwarzania (5) określa ponadto odpowiedź odtworzoną w postaci funkcji elementarnych odpowiedzi odtworzonych dla tego samego odchylenia (Oj) i dla różnych podzespołów czujnikowego urządzenia ultradźwiękowego.

PL 211 835 B1
11. Urządzenie według zastrz. 10, znamienne tym, że odpowiedź odtworzona wyrobu na impuls przy odchyleniu (oj) jest odpowiedzią elementarną, która ma amplitudę o maksymalnym piku.
12. Urządzenie według zastrz. 10, znamienne tym, że moduł przetwarzania (5) określa odpowiedzi odtworzone dla różnych odchyleń (oj), z różnymi podzespołami czujnikowego urządzenia ultradźwiękowego.
13. Urządzenie według zastrz. 12, znamienne tym, że różne podzespoły czujnikowego urządzenia ultradźwiękowego zawierają, do określania odpowiedzi odtworzonej wyrobu na impuls przy odchyleniu (Oj), zasadniczo tę samą ilość (Nv) elementów przetwornikowych (Ci).
14. Urządzenie według zastrz. 13, znamienne tym, że podzespoły czujnikowego urządzenia ultradźwiękowego wybrane są przy wykluczeniu na każdym końcu taśmy zabezpieczającej, w której ilość elementów przetwornikowych jest bliska połowie (NV/2) ilości elementów przetwornikowych podzespołu.
15. Urządzenie według zastrz. 14, znamienne tym, że dwa kolejne podzespoły pozostają wysunięte, jeden z drugiego, przez przesunięcie o zakładkowy skok pi.
16. Urządzenie według zastrz. 15, znamienne tym, że dwa kolejne podzespoły zawierają elementy wspólne.
17. Urządzenie według zastrz. 16, znamienne tym, że wybrana liczba podzespołów czujnikowego urządzenia ultradźwiękowego dla określenia odpowiedzi odtworzonej przy odchyleniu (oj) zasadniczo odpowiada maksymalnej liczbie możliwych podzespołów dla wybranego skoku zakładkowego pi i dla liczby NV elementów wybranych spośród elementów (NT - NV).
18. Urządzenie według zastrz. 17, do badania wyrobów metalurgicznych typu rur stalowych (T), znamienne tym, że zawiera elementy do napędu rur stalowych ruchem śrubowym dokoła osi tych rur stalowych, oraz tym, że czujnikowe urządzenie ultradźwiękowe wykonane jest w postaci listwy montażowej (3) z elementami przetwornikowymi (Ci) rozstawionymi zasadniczo równolegle do osi rury stalowej (T), i rozmieszczonymi tak, że wiązka ultradźwiękowa przy emisji ma wybrane odchylenie (Ol) w płaszczyźnie przekroju poprzecznego tej rury stalowej (T).
19. Urządzenie według zastrz. 17, do badania wyrobów metalurgicznych typu rur stalowych (T), znamienne tym, że zawiera elementy do napędu rur stalowych (T) zgodnie z ruchem prostoliniowym wzdłuż ich osi, oraz tym, że czujnikowe urządzenie ultradźwiękowe wykonane jest w postaci listwy montażowej (3) z elementami przetwornikowymi rozstawionymi zasadniczo równolegle do osi rury stalowej (T) i rozmieszczonymi tak, że wiązka ultradźwiękowa przy emisji ma wybrane odchylenie (Ol) w płaszczyźnie przekroju poprzecznego rur stalowych (T), przy czym ta listwa montażowa (3) napędzana jest obrotowo dokoła rur.
20. Urządzenie według zastrz. 17, do badania wyrobów metalurgicznych typu rur stalowych (T), znamienne tym, że zawiera elementy do napędu rur stalowych (T) zgodnie z ruchem prostoliniowym wzdłuż ich osi, oraz tym, że czujnikowe urządzenie ultradźwiękowe wykonane jest w postaci listwy montażowej (3) z elementami przetwornikowymi, zasadniczo w kształcie łuku koła, przy czym ta listwa montażowa (3) usytuowana jest dokoła rur stalowych (T).
21. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że ponadto zawiera elementy do napędu rur (T) według prostoliniowego ruchu wzdłuż ich osi, oraz tym, że czujnikowe urządzenie ultradźwiękowe zawiera sieć elementów przetwornikowych (13) rozmieszczonych zasadniczo wzdłuż cylindrycznej powierzchni współosiowej z rurą (T), w wielu szeregach elementów równoległych względem siebie i do osi rury (T), a także tym, że obwód na wyjściu i moduł przetwarzania (5) określają rozkład opóźnień na sygnałach odebranych na powrocie przez elementy przetwornikowe podzespołu lub zespołu sieci.
22. Urządzenie według zastrz. 17 albo 18, albo 19, albo 20, albo 21, znamienne tym, że moduł przetwarzania (5) zawarty jest w obwodzie na wyjściu.