Експериментальна установка для вимірювання товщини металоконструкцій безконтактним акустичним методом
Карпаш О.М., Рибіцький І.В., Карпаш М.О.
Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу
Україна, м.Івано-Франківськ, вул.Карпатська, 15, тел.(380-342)504708, rybitsky@gmail.com
Подано результати лабораторних випробувань експериментальної установки для вимірювання товщини стальних зразків безконтактним акустичним методом. Описано конструкцію безконтактного ультразвукового перетворювача, принцип роботи експериментальної установки, подано її блок-схему. Розкрито спосіб визначення товщини безконтактним акустичним методом. Подано результати експериментальних вимірювань товщини досліджуваних зразків та визначено похибку вимірювань. Доведено доцільність використання нейромережевого підходу для оброблення маскованих шумами ехо-імпульсів, як такого що забезпечую меншу похибку вимірювань.
Экспериментальная установка для измерения толщины метало конструкции бесконтактным акустическим методом
Карпаш О.М., Рибицкий И.В., Карпаш М.О.
Ивано-Франковский национальный технический университет нефти и газа
Украина, г.Ивано-Франковск,вул.Карпатская, 15, тел.(380-342)504708, rybitsky@gmail.com
Поданы результаты лабораторных испытаний экспериментальной установки для измерения толщины стальных образцов бесконтактным акустическим методом. Описана конструкция бесконтактного ультразвукового преобразователя, принцип работы экспериментальной установки, подано её блок-схему. Раскрыт способ определения толщины бесконтактным акустическим методом. Поданы результаты экспериментальных измерений толщины исследуемых образцов и определенно погрешность измерений. Доказана целесообразность использования нейронсетевого подхода для обрабатывания маскируемых шумами эхо-импульсов, как такого что обеспечивает меньшую погрешность измерений.
Laboratory test for thickness measuring of still pattern by a air-coupled acoustic method
Karpash O.M., Rybitskyy I.V., Karpash M.O.
The results of laboratory test of experimental plant for thickness measuring of still pattern by a air-coupled acoustic method are given. The construction of air-coupled ultrasonic transducer, principle of work of the laboratory test are described in this article. The method of thickness measurement for air-coupled acoustic method is exposed. The results of the experimental thickness measuring of the still pattern and certainly error of measuring are given. Proof of the use of neuronet as is well for this task are given.
УДК 620.179
Експериментальна установка для вимірювання товщини металоконструкцій безконтактним акустичним методом
© Карпаш О.М., Рибіцький І.В., Карпаш М.О., 2008
Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу
Україна, м.Івано-Франківськ, вул.Карпатська, 15, тел.(380-342)504708, rybitsky@gmail.com
Подано результати лабораторних випробувань експериментальної установки для вимірювання товщини стальних зразків безконтактним акустичним методом. Описано конструкцію безконтактного ультразвукового перетворювача, принцип роботи експериментальної установки, подано її блок-схему. Розкрито спосіб визначення товщини безконтактним акустичним методом. Подано результати експериментальних вимірювань товщини досліджуваних зразків та визначено похибку вимірювань. Доведено доцільність використання нейромережевого підходу для оброблення маскованих шумами ехо-імпульсів, як такого що забезпечую меншу похибку вимірювань.
Оцінка залишкового ресурсу більшості металоконструкцій базується в тому числі і на вимірюванні залишкової товщини, як інтегральної характеристики їх несучої здатності.
Відомо, що найбільш поширеним в нафтогазовій промисловості є неруйнівний акустичний метод контролю товщини, як такий що володіє високою точністю вимірювань, не має обмежень по матеріалу об’єкта контролю та не спричиняє шкідливого впливу на робочий персонал. Основним недоліком такого методу є необхідність забезпечення якісного контакту ультразвукового перетворювача з об’єктом контролю за допомогою контактних речовин.
Використання безконтактних ультразвукових способів, дає можливість виключити цей недолік, розширити діапазон використання та збільшити продуктивність контролю. Проте великі значення втрат енергії акустичних коливань, що виникають в даному випадку унеможливлюють використання традиційних ультразвукових перетворювачів [1].
В попередніх роботах авторів було проаналізовано проблеми, які виникають при розробці безконтактних ультразвукових перетворювачів для контролю товщини матеріалів [2], а також за допомогою математичного моделювання доведено, що для підвищення чутливості методу необхідно використовувати штучні нейромережі [3], що дають можливість чітко локалізувати зашумлені ехо-сигнали, які за допомогою традиційних методів оброблення дефектоскопічної інформації локалізувати не можливо.
Проте, незважаючи на певні успіхи, щодо безконтактного вимірювання товщини різних матеріалів, все ще досить важко було локалізувати ехо-імпульси, які пройшли крізь пластину, виготовлену зі сталі. Дана проблема пов’язана з великим значенням втрат енергії акустичних коливань, що виникають на границі розділу п’єзоелемент/повітря та повітря/стальний зразок [4]. Рішення даної проблеми може бути знайдене шляхом покращення характеристик генераторно-приймального тракту та безконтактного ультразвукового перетворювача.
Метою даної роботи є розробка експериментальної установки для вимірювання товщини металоконструкцій безконтактним акустичним методом та проведення її лабораторних випробувань.
Попередні експериментальні випробування проводились за допомогою безконтактного ультразвукового перетворювача з одношаровим узгоджуючим шаром. Така конструкція перетворювача забезпечувала зменшення втрат енергії акустичних коливань на 26 дБ на границі розділу п’єзоелемент/повітря [3]. Проте, як було сказано попередньо, за допомогою такого перетворювача не було можливим отримання ехо-імпульсів через об’єкти контролю, які виготовлені зі сталі.
Тому провівши аналіз літературних джерел та здійснивши математичне моделювання багатошарового узгоджуючого шару, було запропоновано нову конструкцію безконтактного ультразвукового перетворювача (рис. 1).
Конструктивно ультразвуковий перетворювач складається з корпусу 1, демпфера 2, корпуса резонатора 3, п’єзоелектричної пластини 4, виготовленої з титанату барію ТБК-3 діаметром 20мм, резонансна частота якої складає 1МГц, багатошарового узгоджуючого шару 5 та фіксуючого кільця 6. Демпфер, п’єзоелектрична та узгоджуючий шар склеюються між собою за допомогою епоксидної смоли і утворюють резонатор, який розміщується в корпусі резонатора. Електричне з’єднання п’єзопластини з відповідними контактами закріпленого на корпусі роз’єму, виконане за допомогою тонких провідників. Резонатор кріпиться в корпусі перетворювача за допомогою фіксуючого кільця.
Багатошаровий узгоджуючий шар складається з трьох пластин дископодібної форми, діаметром, який рівний діаметру п’єзоелектричної пластини. Перша пластина узгоджуючого шару, яка кріпиться безпосередньо до п’єзопластини, виготовлена з алюмінію і має товщину 0,78 мм . Друга пластина узгоджуючого шару виготовлена з поліетилену, товщиною 0,65 мм . Остання пластина узгоджуючого шару виготовлена з паперу вторинної переробки і має товщину 0,085 мм . Пластини узгоджуючого шару кріпляться між собою і до п’єзоелемента за допомогою епоксидної смоли. Експерементально було визначено, що така конструкція перетворювача забезпечує зменшення втрат енергії акустичних коливань на 32дБ. На дану конструкцію перетворювача оформлено та подано заявку на отримання патенту.
1 – корпус перетворювача, 2 – демпфер, 3 – корпус резонатора, 4 – п’єзоелемент, 5 – узгоджуючий шар, 6 – фіксуюче кільце.
Рис. 1. Конструкція багатошарового безконтактного ультразвукового перетворювача
Наступним було проведено удосконалення генератора ультразвукових коливань (УЗК). Під час попередніх випробувань для збудження п’єзоелектричних перетворювачів було використано серійний дефектоскоп DiO 562. Експериментальним шляхом, за допомогою цифрового осцилографа Tektronix TDS 1012, було встановлено, що амплітуда збуджуючого сигналу ультразвукового генератора складає 300 В. З метою збільшення амплітуди збуджуючого сигналу, було запропоновано розробити новий генератор збуджуючих коливань. Розроблений генератор дав можливість підняти амплітуду збуджуючого сигналу до 600 В. Це дало можливість підняти в двічі амплітуду ехо-імпульсів. На рис. 2 зображено загальний вигляд удосконаленої експериментальної установки.
1, 2 – випромінюючий та приймаючий безконтактний ультразвуковий перетворювач відповідно, 3 – об’єкт контролю, 4 – цифровий осцилограф, 5 – блок живлення, 6 – високовольтний перетворювач, 7 – генератор ультразвукових коливань, 8 – синхронізатор, 9 – попередній підсилювач, 10 – штангельциркуль, 11- персональний комп’ютер
Рис. 2. Загальний вигляд удосконаленої експериментальної установки
Удосконалена експериментальна установка для контролю товщини матеріалів складається з акустичного блоку, генераторно-приймального тракту та блоку візуалізації, оцифрування та оброблення акустичних сигналів. До акустичного блоку входять два безконтактні ультразвукові перетворювачі: випромінюючий, приймаючий та штангельциркуль. До складу генераторно-приймального тракту входять: блок живлення, високовольтний генератор, генератор ультразвукових коливань, синхронізатор та попередній підсилювач. Блок візуалізації оцифрування та оброблення акустичних сигналів містить цифровий осцилограф Tektronix TDS1012 та персональний комп’ютер. Блок-схема удосконаленої експериментальної установки подано на рис. 3.
ОК – об’єкт контролю, В, П – випромінюючий та приймаючий безконтактний ультразвуковий перетворювач відповідно, Г – генератор ультразвукових коливань, ВП – високовольтний перетворювач, ПП – попередній підсилювач, С – синхронізатор, АЦП – аналого-цифровий перетворювач (цифровий осцилограф), ПК- персональний комп’ютер
Рис. 3. Блок схема удосконаленої експериментальної установки
Розглянемо принцип роботи експериментальна установки. Синхронізатор формує імпульси прямокутної форми, частотою 1кГц, задній фронт яких запускає високовольтний перетворювач. Високовольтний перетворювач працює до появи заднього фронту прямокутного імпульсу, накопичуючи електричну енергію в генераторі ультразвукових коливань. При появі переднього фронту прямокутних імпульсів, високовольтний перетворювач вимикається, запускається генератор ультразвукових коливань, який віддає накопичену енергію ультразвуковому перетворювачу у вигляді синусоподібних імпульсів напруги та вмикається аналого-цифровий перетворювач (АЦП). Така почергова робота генератора ультразвукових коливань та високовольтного перетворювача зумовлена необхідністю виключення взаємного впливу кожного блоку на роботу один одного.
Імпульси напруги, які потрапляють на п’єзоелемент перетворювача, збуджують в ньому ультразвукові коливання, які від перетворювача через повітряний зазор потрапляють на об’єкт контролю. На границі розділу повітря/об’єкт контролю ультразвукові коливання зазнають часткового відбивання та заломлення. Частина енергії ультразвукових коливань проходить крізь об’єкт контролю та повітряний зазор і потрапляє на приймаючий перетворювач, в якому відбувається перетворення механічних коливань в коливання струму. Ці електричні коливання підсилюються за допомогою попереднього підсилювача і подаються на аналого-цифровий перетворювач (цифровий осцилограф Tektronix TDS101). Оцифровані дані з АЦП потрапляють в персональний комп’ютер, який здійснює обробку отриманих даних за допомогою нейромереж [3, 5] та визначення товщини за наперед визначеним алгоритмом.
Визначенні товщини об’єкта контролю прохідним методом здійснюється наступним чином. Безконтактні ультразвукові перетворювачі, випромінюючий та приймаючий, розміщуються один навпроти іншого на фіксованій відстані 20мм, так щоб їхні акустичні осі співпадали. Вмикається експериментальна установка та відбувається вимірювання часу проходження ультразвукових коливань Т1 від випромінюючого до приймаючого перетворювача (рис. 4, а).
Рис. 4. Схема вимірювання товщини
Після цього між перетворювачами розміщується плоский зразок, так щоб його поверхні були перпендикулярні до акустичних осей перетворювачів та проводиться вимірювання часу проходження ультразвукових коливань Т2, який буде рівний сумі часу проходження УЗК від випромінюючого перетворювача до ОК – т1, часу проходження УЗК в ОК– т2 та часу поширення ультразвукових коливань від об’єкта контролю до приймаючого перетворювача – т3 (рис. 4, б):
Таким чином можемо записати вираз для визначення товщини об’єкта контролю:
Для проведення експериментальних випробувань було відібрано 12 стальних зразків товщиною від 0,55мм до 9,53мм. Перед початком випробувань товщину кожного зразка було визначено за допомогою мікрометра.
Випробування проводились згідно з наступною методикою. Безконтактні ультразвукові перетворювачі розміщуються один навпроти одного на відстані 20 мм . Відстань вимірюється за допомогою штангельциркуля.
Вмикається експериментальна установку та проводиться оцифрування, запис осцилограми та реєстрація часу проходження ехо-імпульсу . З оцифрованої вибірки виділяється пройшовший ехо-імпульс, який в подальшому використовується для розрахунку взаємо-кореляційної та для тренування нейромережі [3].
Після цього між перетворювачами розміщується досліджуваний зразок, як було описано попередньо та проводиться оцифрування та запис пройшовшого ехо-імпульсу. Загалом таких досліджень було проведено 120, по 10 на кожному зразку.
Як було сказано попередньо, при використанні безконтактних ультразвукових перетворювачів виникають значні втрати енергії ультразвукових коливань, що призводить до того, що амплітуда пройшовших ехо-імпульсів є досить малою і спів розмірною з власними шумами перетворювача та попереднього підсилювача. В такому випадку традиційними методами виявити та локалізувати пройшовший імпульс є не можливим.
З метою виявлення таких ехо-імпульсів, як показали попередні теоретичні [6] та експериментальні [3] дослідження доцільно використовувати кореляційний та нейромережевий підходи, алгоритм роботи яких було описано у згаданих роботах. Таким чином, для кожної оцифрованої осцилограми пройшовшого через досліджувані зразки ехо-імпульсу, було розраховано взаємо-кореляційну функцію (рис. 6, а) та отримано виходи нейромережі (рис.6, б).
Розраховані взаємокореляційні функції та отримані виходи нейронмережі дали можливість локалізувати пройшовші ехо-імпульси та обчислити згідно з формулою (5) товщини досліджуваних зразків. Результати вимірювань та похибки подано в таблиці 1.
а) б)
Рис. 6. Взаємо-кореляційна функція (а, позиція 2) та вихід нейромережі (б, позиція 3) типового ехо-сигналу (позиція 1), отриманого через досліджуваний зразок
Таблиця 1 – Результати експериментальних вимірювань.
Дійсне значення товщини зразків, мм
| |||||||||||||
0.55
|
0.82
|
1.27
|
1.5
|
1.98
|
2.96
|
3.8
|
3.93
|
5.01
|
5.94
|
6.93
|
9.53
| ||
Похибка приведена
до діапазону ∆, %
|
2,32
|
Розраховані значення товщини (нейромережевий підхід), мм
| |||||||||||
0.47
|
0.71
|
1.33
|
1.66
|
1.75
|
2.58
|
3.61
|
3.89
|
4.89
|
4.94
|
6.56
|
9.17
| ||
6,88
|
Розраховані значення товщини (взаємокореляційний підхід), мм
| ||||||||||||
1.05
|
1.21
|
1.25
|
1.74
|
2.09
|
2.14
|
3.74
|
3.78
|
4.76
|
5.4
|
5.57
|
-
| ||
Також було визначено середню абсолютну похибку вимірювань, яка склала 0,2 мм та 0,44 мм для нейромережевого та взаємокореляційного підходів відповідно.
Як бачимо з отриманих результатів, нейромережевий метод володіє меншою похибкою вимірювань у порівнянні з традиційним вазаємокореляційним методом. Крім того, нейромережевий підхід дав можливість чітко локалізувати ехо-імпульс, пройшовший через зразок, товщиною 9,53 мм та розрахувати його товщину, чого не можливо було отримати при використанні взаємокореляційного методу. Таким чином результати експериментальних випробувань повністю підтвердили проведені теоретичні дослідження.
Нажаль, проведені аналогічні експериментальні дослідження на зразках з більшою товщиною були незадовільними, оскільки жоден з запропонованих методів дозволив впевнено локалізувати ехо-імпульс. Це пояснюється тим, що амплітуда пройшовших через пластину ехо-імпульсів є значно меншою за рівень власних шумів перетворювача та підсилювача і чітко локалізувати їх не можливо.
За результатами проведених експериментальних досліджень можна зробити наступні висновки:
- удосконалено та виготовлено експериментальну установку та конструкцію безконтактних ультразвукових перетворювачів, що дало змогу зменшити втрати енергії акустичних коливань на 32 дБ;
- проведено експерементальні випробування сбезконтактного ультразвукового способу, що дало змогу визначити товщину стальних зразків в діапазоні від 0,55мм до 9,53мм з похобкою приведеною до діапазону 2,32% - для нейромережевого та 6,88% - для взаємокореляційного підходів.
- результати експериментальних випробувань показали, що для обробки зашумлених ехо-імпульсів доцільно використовувати нейромережевий підхід, який забезпечує меншу похибку вимірювань.
Перелік посилань.
1. T. E. Gómez y F. Montero. “ Piezoelectric transducers for air-coupled operation in the frequency range 0.3-2.5 MHz”. IEEE International Ultrasonics Symposium, Atlanta 7-10, 2001.
2. І.В. Рибіцький, О.М. Карпаш, М.О. Карпаш. Аналіз безконтактних методів ультразвукового контролю матеріалів і виробів. // Збірник наукових праць. Серія Фізичні методи та засоби контролю середовищ, матеріалів та виробів, випуск 12 «Неруйнівний контроль та технічна діагностика матеріалів і конструкцій». – Львів, 2007. – С. 111 – 116.
3. О.М. Карпаш, І.В. Рибіцький, М.О. Карпаш. Експериментальна перевірка можливості використання взаємокореляційного та нейромережевого підходів для підвищення чутливості безконтактного ультразвукового способу контролю товщини матеріалів // Фізичні методи та засоби контролю середовищ, матеріалів та виробів (серія), вип. 13: Теорія і практика неруйнівного контролю матеріалів і конструкцій: Зб. Наук. Праць. – Львів, 2008. с. 152-160.
4. Junho Song, D. E. Chimenti , “Design, Fabrication and Characterization of a Spherically Focused Capacitive Air-Coupled Ultrasonic Transducer”, International Journal of Applied Science and Engineering 2006.4, pp. 1-19.
6. Рибіцький І.В. Математична модель узгоджуючого шару п’єзоперетворювача та розрахунок втрат енергії акустичних коливань при безконтактному способі вимірювання товщини // Методи та прилади контролю якості. – 2007. - № 18. – с. 40-45.
