urządzenie do ultradźwiękowych, nieniszczących badań

RZECZPOSPOLITA
POLSKA
OPIS PATENTOWY 154 550
Patent dodatkowy
do patentu n r -----Zgłoszono: 86 06 20
Int. Cl.5 G01N 29/00
G01S 3/808
/P . 260181/
Pierwszeństwo
URZĄD
PATENTOWY
RP
Zgłoszenie ogłoszono: 38 03 31
Opis patentowy opublikowano: 1992 02 28
Twórca w ynalazku: J a c e k S z e lą ż e k
U praw niony z p a te n tu : P o lsk a Akademia Nauk I n s t y t u t Podstawowych
Problemów T e c h n ik i,
Warszawa /P o ls k a /
URZĄDZENIE DO ULTRADŹWIĘKOWYCH, NIENISZCZĄCYCH BADAŃ PRZEDMIOTÓW
P rzedm iotem w ynalazku j e s t u r z ą d z e n ie do u ltra d źw ię k o w y ch , n ie n is z c z ą c y c h badań p rz e d m iotów o ra z w yznaczania p o z y c ji g ło w icy u ltra d ź w ię k o w e j na p o w ierz ch n i badanego p rz e d m io tu .
S z y b k ie u s t a l e n i e p o z y c ji g ło w ic y , k t ó r ą prow adzone j e s t b a d a n ie p o trz e b n e j e s t w u s t a l e n i u
p o ło ż e n ia w y k ry te j wady czy te ż w p o m iarach j e j w ie lk o ś c i.
Ze s ta n u t e c h n i k i zn an e s ą u rz ą d z e n ia do u ltra d źw ięk o w y ch , n ie n is z c z ą c y c h badań m a te r ia łów s p e łn ia ją c y c h f u n k c ję w ykrywania wad. N ie s p e ł n i a j ą one n a to m ia s t f u n k c j i l o k a l i z a c j i
g ło w ic y na p o w ie rz c h n i badanego p rz e d m io tu , k t ó r e j znajom ość j e s t ko n ieczn a do l o k a l i z a c j i
wykrywanych w c z a s i e b a d a n ia wad. W b a d a n ia c h u ltrad źw ięk o w y ch prow adzonych r ę c z n ie , do
o k r e ś l a n i a p o ło ż e n ia g ło w ic y sto so w an e s ą m ia rk i lu b do p rz y b liż o n e g o o k r e ś la n ia p o ło ż e n ia
w y k o rz y s tu je s i ę n a n ie s io n ą u p rz e d n io na p o w ie rz c h n i p rz ed m io tu s i a t k ę p ro s to p a d ły c h w zg lędem s i e b i e l i n i i .
W b a d a n ia zautom atyzow anych, w k tó ry c h gło w ica u ltra d źw ię k o w a p o ru sz an a j e s t m ech an iczn i e , p o z y c ja g ło w ic y o k r e ś la n a j e s t p o p rz ez znajom ość p o ło ż e n ia ruchomego uchw ytu g ło w ic y
w zględem badanego p rz e d m io tu p rz y czym u rz ą d z e n ie p o ru s z a ją c e tym uchwytem z w iązan e j e s t
m e c h a n ic z n ie z badanym przed m io tem . Znane s ą k o n s tr u k c je u rz ąd z eń do badań u ltra d ź w ię k o w y c h ,
w k tó r y c h p o ło ż e n ie g ło w ic y o k r e ś la n e j e s t je d n ą w sp ó łrzę d n ą wzdłuż d łu g o ś c i badanego p r z e d m io tu j a k to p rzykładow o ma m ie js c e w b ad an iu p rę tó w sta lo w y c h czy szy n k o le jo w y c h .
Znane te ż s ą l i c z n e k o n s tr u k c je urządzeń au to m aty czn y ch do badań s p o in p ł a s k i c h p rz e d m io tów czy s p o in obwodowych r u r g d z ie p o z y c ja g ło w ic y u ltra d ź w ię k o w e j p o r u s z a ją c e j s i ę w wąskim p a s ie leżącym w zdłuż sp o in y o k r e ś la n a j e s t dwiema w spółrzędnym i, ró w n o leg ła i p r o s t o p a d ła do o s i s p o in y . W b a d a n ia c h p ła s k ic h przedm iotów ta k ic h ja k b la c h y czy p ł y t y sto so w an e
s ą ró ż n e g o ty p u u r z ą d z e n ia p rz e su w a ją c e g ło w ic ę w dwóch k ie ru n k a c h i j e j p o z y c ja o k re ś la n a
j e s t we w sp ó łrz ę d n y c h x - y . P rz e d s ta w io n e w yżej sp osoby l o k a l i z a c j i głow icy w b a d a n ia c h
zm echanizow anych sto so w a n e mogą być zarówno w b a d a n ia c h prowadzonych w p o w ie trz u ja k i w
154 550
2
154 550
b a d a n ia c h prow adzonych pod wodą. W b a d a n ia c h z an u rze n io w y ch , prow adzonych pod wodą, do o k r e ś la n i a p o ło ż e n ia g ło w icy stosow ane s ą u ltra d ź w ię k o w e f a l e p o d łu ż n e ro zch o d zące s i ę w w odzie
m iędzy u staw ionym i w w ybranych m ie jsc a c h n a d a jn ik a m i a o d b io rn ik ie m lu b r e f le k to r e m f a l
um iejscow ionym na g ło w ic y . Z m ierzonych czasów p r z e j ś c i a im pulsów f a l podłużnych o b lic z a n e
s ą o d le g ło ś c i między n ad ajn ik am i f a l a g ło w ic ą , a n a s tę p n ie w sp ó łrzęd n e p o ło ż e n ia g ło w icy w
p rz y ję ty m u k ła d z ie w sp ó łrzęd n y ch . Podobne u k ła d y l o k a l i z a c j i stosow ane s ą do o k r e ś la n ia poz y c j i p rzedm iotów n ie zw iązanych m ech anicznie z o b ie k te m , z którym zw iązany j e s t u k ła d w sp ó łrz ę d n y c h . Ma t o m ie js c e na p rz y k ła d gdy o k r e ś la n e j e s t p o ło ż e n ie o b ie k tu pły w ająceg o w wod z i e lu b po j e j p o w ie rz c h n i względem d n a. P rzykładow o o p is p a ten to w y USA n r 4 110 726 o p is u j e z a s to s o w a n ie u ltrad źw ięk o w y ch f a l p o d łu żn y ch ro z c h o d z ą cy c h s ię w w odzie do l o k a l i z a c j i
b o i względem dna i d a l e j f a l e l ek tro m ag n ety czn y ch ro z c h o d z ą c y c h s i ę w p o w ie trz u do l o k a l i z a c j i s t a t k u względem b o i. P a t e nt USA n r 3 745 519 p r z e d s ta w ia za sto so w a n ia samych u l t r a dźw iękow ych f a l p o d łu żn y ch do l ok a l i z a c j i s t a t k u na p o w ie rz c h n i m orza.
Innym sposobem l o k a l i z a c j i s ta tk u p ły w ająceg o po p o w ie rz c h n i morza j e s t w y k o rz y sta n ie
f a l e le k tro m a g n e ty c z n y c h ro z c h o dzący ch s i ę m iędzy n a d a jn ik a m i um ieszczonym i na morskim b r z e gu / r a d io n a w ig a c ja / lu b na s a t e l i t a c h u m ieszczonych na o r b i t a c h /n a w ig a c ja s a t e l i t a r n a / a
o d b io rn ik ie m um ieszczonym na s t at k u . W b a d a n ia c h u ltr a d ź w ię k o wych prow adzonych r ę c z n ie , p o m iary p o ło ż e n ia g ło w ic y m iarkam i lu b ocena j e j p o ło ż e n ia względem s i a t k i l i n i i n a n ie s io n y c h
u p rz e d n io na p o w ie rz c h n ię badanego p rzed m io tu s ą c z a s o c h ło n n e i mało d o k ła d n e . N iedogodności
ta k ie g o sp o so b u l o k a l i z a c j i g ło w icy w y stę p u ją s z c z e g ó ln ie w y ra ź n ie w c z a s ie badań w warunk ach te re n o w y c h . S ta c jo n a r n e u rz ą d z e n ia do badań a u to m a ty c z n y c h , w k tó ry c h re a liz o w a n a j e s t
fu n k c ja l o k a l i z a c j a g ło w ic y , p rz e z n a c z o n e s ą do b a d a n ia ś c i ś l e o k re ś lo n y c h wyrobów /n p . do
b a d a n ia s p o in obwodowych r u r s p i r a l n i e spaw anych/ i n i e mogą być stosow ane w b a d a n ia c h
in n y c h wyrobów. P rz e n o śn e u k ła d y do zm echanizow anych badań u ltra d źw ię k o w y ch ja k np. sk a n e ry
do b a d a n ia b la c h czy s p o in s ą c i ę ż k i e i ze w zględu na sw o ją k o n s tr u k c ję mogą z n a le ź ć z a s to so w an ie t y lk o w ograniczonym z a kr e s i e , w p rz y p ad k ach gdy m ożliw e j e s t umocowanie k o n s tru k c j i sk a n e ra na p o w ie rz c h n i b a d a nego o b ie k tu . W y k o rz y sta n ie u ltrad źw ięk o w y ch f a l p o d łu żn y ch
do l o k a l i z a c j i m ożliw e j e s t t y l ko w przypadku p ro w ad z en ia badań w z a n u rz e n iu , pod wodą.
J e d n o c z e ś n ie na d ro d z e impulsów f a l ro zc h o d zą cy c h s i ę po l i n i i p r o s t e j m iędzy n a d a jn ik ie m
a o d b io rn ik ie m n ie mogą znajdow ać s i ę żadne p rz e s z k o d y . W p rzy p ad k u badań u ltrad źw ięk o w y ch
i c h zdecydowana w ię k sz o ść odbywa s i ę w p o w ie trz u , a w b a d a n ia c h prow adzonych w w odzie, wykonywanych w wannach zan u rzen io w y ch , głow ica p o ru sz a n a j e s t układam i m echanicznym i i p o t r z e ba s to s o w a n ia f a l u ltrad źw ięk o w y ch do j e j l o k a l i z a c j i n i e w y s tę p u je . Z asto so w a n ie f a l e le k tro m a g n e ty c z n y c h do l o k a l i z a c j i g ło w icy w b a d a n ia c h u ltra d ź w ię k o w y c h prow adzonych w pow iet r z u n ie j e s t p r a k ty c z n ie możliwe ze w zględu na m ałe ro z m ia ry o b sz a ru przesuw u głow icy i
w ysoką p rę d k o ść ro z c h o d z e n ia s i ę f a l te g o ty p u .
I s t o t ą w ynalazku j e s t z a sto s o w a n ie do l o k a l i z a c j i g ło w ic y pow ierzchniow ych f a l u l t r a dźwiękowych p ro p a g u ją c y c h s i ę po p o w ie rz ch n i badanego p rz e d m io tu n ie z a le ż n ie od j e j k rz y w izny o ra z w y k o rz y s ta n ie ty c h samych układów do w ykryw ania wad i l o k a l i z a c j i g ło w ic y .
U rz ą d z e n ie do u ltra d ź w ię k o w y c h badań przedm iotów z l o k a l i z a c j ą g ło w icy zaw iera u k ła d y
g e n e r a c j i i o d b io ru im pulsów f a l u ltra d ź w ięk o w y ch o r a z u k ła d pom iaru c z a su p r z e j ś c i a f a l
p o łą c z o n y z g e n e ra to re m impulsów s y n c h ro n iz u ją c y c h . U kład m ie rn ik a c z a su p o łą c z o n y j e s t z
układem p r z e lic z a ją c y m , do k tó re g o d o łączo n y j e s t w y ś w ie tla c z w sp ó łrzęd n y ch x -y p o ło ż e n ia
g ło w ic y . Do u k ła d u m ie rn ik a c z a su p o d łączo n y j e s t u k ła d s t e r u j ą c y p o łąc zo n y z układem kom u ta c ji g ło w ic . Do u k ła d u k o m u ta c ji d o łą c z o n e s ą s p rz ę ż o n e a k u s ty c z n ie z badanym przedm iotem co n a jm n ie j j edna g ło w ica nadawcza i co n a jm n ie j je d n a gło w ica o d b io rc z a f a l p o w ie rz c h nio w y ch . C zasy p r z e j ś c i a im pulsów ty c h f a l m ierzo n e w u k ła d z ie pom iaru c z a su w ykorzystyw ane
s ą do o b l i c z e n i a w u k ła d z ie p rz e lic z a ją c y m w sp ó łrzę d n y ch x i y p o ło ż e n ia g ło w icy .
Do l o k a l i z a c j i g ło w icy w y k o rzy stan e s ą celowo p o w ierzch n io w e f a l e u ltrad źw ięk o w e p ro p a g u ją c e s i ę po p o w ie rz c h n i badanego p rz e d m io tu . F a le t e propagować mogą s i ę zarówno d o po-
154 550
3
w ie rz c h n ia c h p ł a s k i c h ja k i n ie p ł a s k i c h , a c z a s p r z e j ś c i a im pulsów f a l pow ierzchniow ych
j e s t p ro p o r c jo n a ln y do d r o g i im pulsów m ie rz o n e j po p o w ierz ch n i p rz e d m io tu i n ie z a le ż y od
j e j k rzy w izn y . D z ię k i w y k o rz y s ta n iu t e j cechy f a l pow ierzchniow ych, do l o k a l i z a c j i głow icy
n i e j e s t p o tr z e b n e sz ty w n e , m echaniczne p o w iązan ie głow icy z badanym przedm iotem o ra z pows t a j e m ożliw ość l o k a l i z a c j i g ło w ic y na p o w ie rz c h n ia c h o dowolnym k s z t a ł c i e .
G ło w ica, k t ó r ą prow adzone j e s t b a d a n ie może być p rz em ie szcza n a po p o w ie rz c h n i p rz e d m io tu w dow olny sp o só b n p . r ę c z n i e . Pom iędzy g ło w ic ą nadawczą a g ło w ic ą o d b io rc z ą f a l pow ierzch n io w y ch mogą znajdow ać s i ę in n e p rz e d m io ty , np. przew ody, k tó r y c h obecność n i e s t a nowi p rz e sz k o d y d l a f a l p o w ierzchniow ych p ro p a g u ją c y c h s i ę w badanym p rz e d m io c ie . W p rz y p a d ku badań w w odzie i w y k o rz y s ta n ie f a l p o d łu żn y ch do l o k a l i z a c j i g ło w ic y , p rz e sz k o d y t a k i e
u n ie m o ż liw ia ły b y l o k a l i z a c j e .
Do l o k a l i z a c j i g ło w ic y w y k o rzy stan e s ą u ltra d źw ię k o w e f a l e pow ierzchniow e o c z ę s t o t l i w o ści m ie s z c z ą c e j s i ę w z a k r e s ie c z ę s t o tliw o ś c i f a l stosow anych do wykrywania wad d z ię k i
czemu do g e n e r a c j i i o d b io ru f a l w ykorzystyw anych w c e lu wykrywania wad. D z ię k i tak iem u
ro z w ią z a n iu u r z ą d z e n ie do wykrywania wad z l o k a l i z a c j ą g ło w ic y , za pomocą f a l p o w ie rz c h n io w ych, może być z n a c z n ie l ż e j s z e od w s z e lk ic h u rz ą d z e ń , w k tó r y c h l o k a l i z a c j a g ło w ic y r e a l i zowana j e s t m e c h a n ic z n ie , czy te ż z w ykorzystaniem te c h n ik i in n e j n iż t a stosow ana do wyk ry w an ia wad. U kład w sp ó łrz ę d n y c h , w k tó r y m o k r e ś la n a j e s t p o z y c ja g ło w ic y , o k re ś lo n y j e s t
p r z e z p o z y c je g ło w ic nadaw czych f a l p o w ierzchniow ych. Może on być d z i ę k i temu d o w o ln ie d o b ie r a n y w z a le ż n o ś c i od g e o m e trii badanego p rz e d m io tu .
U rz ą d z e n ie do u ltra d ź w ię k o w y ch badań m a te ria łó w , według w ynalazku, j e s t p rz e d sta w io n e
sc h e m a ty c z n ie w p r z y k ła d z ie w ykonania na ry su n k a c h , g d z ie f i g . 1 p r z e d sta w ia u r z ą d z e n ie w
u j ę c i u blokowym, a f i g . 2 p rz e d s ta w ia u rz ą d z e n ie wraz z połączonym i z nim głow icam i u l t r a dźwiękowymi sp rzężo n y m i z badanym przedm iotem .
U rz ą d z e n ie z a w ie ra u k ła d y d e fe k to s k o p u u ltrad ź w ięk o w eg o , c z y l i z a s i l a c z 1 , g e n e r a to r
im pulsów s y n c h ro n iz u ją c y c h 12 p o łą c z o n y z n a d a jn ik ie m impulsów p o b u d za jąc y ch 13 i z u k ła dem zobrazo w an ia 16, o ra z p o łą c z o n e z układem zobrazow ania 16 o d b io rn ik w zm acniający 15
i u k ła d w y ś w ie tla ją c y 2 . Z g e n e ra to re m impulsów sy n c h ro n iz u ją c y c h 12 i z o d b io rn ik ie m 15
p o łą c z o n y j e s t m ie rn ik c z a s u 18 p r z e j ś c i a f a l , do k tó re g o , p o p rze z u k ła d p r z e l i c z a j ą c y 19,
d o łą c z o n y j e s t w y św ie tla c z w sp ó łrzęd n y ch x -y 3 . Z m iern ik iem c z a su 18 p o łąc zo n y j e s t u k ład
s t e r u j ą c y 17, k t ó r y p o łą c z o n y j e s t z układem k o m u ta c ji 14. U kład k o m u ta c ji 14 łą c z y s i ę
z n a d a jn ik ie m im pulsów p o b u d z a ją c y ch 13 i z o d b io rn ik ie m 15 o ra z z co n a jm n ie j je d n ą g ło w ic ą nadawczą 5 lu b 6 f a l p ow ierzchniow ych i g ło w ic ą o d b io rc z ą ty c h f a l 8 ja k rów nież z
g ło w ic ą u ltra d ź w ię k o w ą 7 , k t ó r ą prow adzone j e s t b a d a n ie p rz e d m io tu .
Na p o w ie rz c h n i badanego p rz e d m io tu 10 wyznaczony j e s t o b s z a r pomiarowy 9 o ra z zw iązany z nim u k ła d w sp ó łrz ę d n y c h x-y. W p o c z ą tk u u k ła d u w sp ó łrzęd n y ch x -y sp rzę żo n a j e s t z
badanym p rzedm iotem 10 gło w ica nadawcza 5 f a l pow ierzchniow ych. W o d le g ło ś c i A od n i e j ,
na o s i y u sta w io n a j e s t dru g a g ło w ic a nadawcza 6 f a l pow ierzchniow ych. G łow ice nadawcze 5
i 6 p o s ia d a ją s z e r o k ie c h a r a k t e r y s t y k i k ie ru n k o w o śc i ok ry w ające c a ł ą p o w ie rz c h n ię o b sz a ru
pom iarowego 9 . W g ło w ic y 7 , k t ó r ą prowadzone j e s t b a d a n ie p rz ed m io tu osadzona j e s t głow ica
o d b io rc z a 8 f a l pow ierzchniow ych i kołow ej c h a r a k te r y s ty c e k ie ru n k o w e j i punktowym sty k iem
z p o w ie rz c h n ią badanego p rz e d m io tu 10.
W p o z y c ji 7 , k t ó r ą n a le ż y o k r e ś l i ć , g ło w ic e nadawcze 5 i 6 ste ro w a n e układem s t e r u j ą cym 17 i układem k o m u ta c ji 14, g e n e r u ją k o le jn o im pulsy f a l pow ierzchniow ych, k t ó r e o d b ie r a n e s ą p rz e z g ło w ic ę o d b io rc z ą 8 .
W m iern ik u 18 m ierzone s ą c z a sy p r z e j ś c i a impulsów f a l pow ierzchniow ych
na d ro d ze
pom iędzy g łow icam i 5 i 8 o ra z t 2 na d ro d ze pomiędzy głow icam i 6 i 8 . W u k ła d z ie p r z e l i c z a jącym 19 o b lic z a n e s ą o d le g ło ś c i B i C ze wzorów
B
= cr
/ t 1 - t p /;
C = cr
/t2
- t p/
154 550
4
g d z ie : cr
- j e s t znaną p rę d k o ś c ią p ro p a g a c ji f a l pow ierzchniow ych w badanym p rz e d m io c ie ,
t p - j e s t popraw ką z a le ż n ą od k o n s tr u k c ji głow ic nadawczych i o d b io r c z e j f a l pow ierzch n io w y ch i równą sumie czasów p r z e j ś c i a f a l i p rz e z k l i n z a ła m u ją cy g ło w icy nadaw czej i falow ód g łow icy o d b io r c z e j,
o r a z o b lic z a n e s ą w sp ó łrzęd n e x i y p o ło ż e n ia głow icy 7 ze wzorów:
x = B s i n γ + Xp
y = B cosγ
g d z ie : γ
= 2 a rc
+ yp
tg [ ( R /( P - C ) /]
R = √ ( P -A )(P -B )
( P - C ) /P
P = (A + B + C )/2
Xp, yp - s ą poprawkami zależn y m i od sposobu zamocowania g ło w icy o d b io r c z e j 8 w g ł o w icy 7.
Ws p ó łr z ę d n e x i y p o ło ż e n ia g ło w icy 7 w y św ietlan e są na w y św ie tla c z u 3 u r z ą d z e n ia .
Z a s t r z e ż e n i e
p a t e n t o w e
U rz ą d z e n ie do u ltrad źw ięk o w y ch , n ie n is z c z ą c y c h badań p rze d m io tó w, z a w ie r a ją c e d e fe k to s k o p do badań u ltrad źw ięk o w y ch z układem p rz e tw a rz a n ia danych,
z n a m i e n n e
tym,
że z a w ie ra u k ła d / 18/ pom iaru c z a su p r z e j ś c i a f a l pow ierzchniow ych w łączony pom iędzy p rz y n a jm n ie j je d n ą g ło w ic ą nadaw czą / 5 / ty c h f a l a gło w icą o d b io rc z ą / 8 / , p rz y czym t e g ło w ice
/ 5 / i / 8/ s p rz ę ż o n e s ą a k u s ty c z n ie z p o w ie rz c h n ią badanego p rz e d m io tu , a g ło w ica o d b io rc z a
/ 5 / przesuw ana j e s t po p o w ie rz c h n i p rzed m io tu wraz z g łow icą / 8 / , k t ó r ą prow adzone j e s t
b a d a n ie p rz e d m io tu , o ra z zaw iera u k ła d / 19/ o b lic z a ją c y w spółrzędne p o ło ż e n ia g ło w ic / 5 /
i / 8 / na p o d s ta w ie zm ierzonych czasów p r z e j ś c i a f a l pow ierzchniow ych.
Fig. 1
Fig. 2
Z ak ład Wydawnictw UP RP N a k ła d 100 egz.
Cena 3 0 0 0 zł