Defektoskopia ultradźwiękowa

Transkrypt

1 Defektoskopia ultradźwiękowa

2 Pojęcie fali Fala mechaniczna (sprężysta) to zaburzenie rozchodzące się w ośrodku sprężystym, które przenosi energię bez przenoszenia masy. Polega na drganiu cząsteczek wokół położenia równowagi.

3 Rodzaje fal mechanicznych fala podłużna - fala, w której drgania odbywają się w kierunku zgodnym z kierunkiem jej rozchodzenia się np. fala dźwiękowa; w fali podłużnej występuje na przemian zagęszczenie i rozrzedzenie materiału (rozchodzą się w każdym ośrodku materialnym), fala poprzeczna fala ścinania, w której kierunek drgań cząstek ośrodka jest prostopadły do kierunku rozchodzenia się fali np. fala elektromagnetyczna; powoduje powstanie naprężeń stycznych; rozchodzeniu się fal poprzecznych nie towarzyszą zmiany gęstości ośrodka (rozchodzą się tylko w ośrodkach stałych),

4 Parametry charakteryzujące fale Amplituda (A) największe wychylenie z położenia równowagi, Długość fali (λ) odległość pomiędzy kolejnymi powtórzeniami kształtu fali, Przesunięcie fazowe (φ) [rad], Okres (T) czas, w którym punkt ośrodka wykonuje jedno pełne drganie [s], Częstotliwość (f) ilość drgań, które wykonują punkty ośrodka w określonej jednostce czasu [Hz], Prędkość (v): v T f

5 Parametry charakteryzujące fale Wychylenie cząstek z położenia równowagi: Asin( t ) Gdzie: A amplituda drgań (wychylenia) [m], ω pulsacja (częstość kątowa) (2πf) [rad/s], t czas [s], x współrzędna drogi [m], v prędkość rozchodzenia się fali w danym ośrodku [m/s]. x v Natężenie fali: I A 2 v Gdzie: ρ gęstość ośrodka [kg/m 3 ],

6 Podział fal sprężystych Fale sprężyste Infradźwięki (poddźwięki) <16 Hz Dźwięki słyszalne 16 Hz- 16 khz (20 khz) Ultradźwięki (naddźwięki) 16 khz(20 khz) Hz Hiperdźwięki do Hz

7 Ultradźwięki Ultradźwięki to drgania mechaniczne cząstek ośrodka o częstotliwości większej niż górna granica słyszalności ucha ludzkiego. Granicę tę określa się umownie na bądź Hz. Fale ultradźwiękowe różnią się miedzy sobą kierunkiem drgań cząsteczek ośrodka w stosunku do kierunku rozchodzenia się fali. Rozróżniamy: Fale podłużne, Fale poprzeczne, Fale powierzchniowe (Rayleigha), Fale podpowierzchniowe, Fale płytowe (Lamba), Fale Love a.

8 Rodzaje fal Fale powierzchniowe (Rayleigha)- rozchodzą się na powierzchni swobodnej ciała stałego, wnikając na głębokość około jednej długości fali. Ruch cząstek odbywa się po elipsie; Fale podpowierzchniowe- to szczególny przypadek fal podłużnych, powstających jako fala załamania. Fale te wykazują brak czułości na nierówności powierzchni (wykrywanie wad blisko powierzchni o małej gładkości).

9 Rodzaje fal Fale płytowe (Lamba)- rozchodzą się w ośrodku ograniczonym dwoma równoległymi powierzchniami, których odległość jest porównywalna z długością fali i nie przekracza kilku długości fali. Fale Love a- to fale poprzeczne rozchodzące się w cienkiej warstwie znajdującej się na podłożu o innych właściwościach akustycznych. Przesunięcia cząstek odbywają się równolegle do powierzchni warstwy i prostopadle do kierunku rozchodzenia się fali.

10 Podstawy teoretyczne badań ultradźwiękowych Prostopadłemu padaniu fali na granicę dwóch ośrodków towarzyszy zjawisko odbicia i przenikania. Część fali padającej odbija się od granicy ośrodków, a część rozchodzi się w drugim ośrodku. Wartość stosunku energii fal odbitych i przechodzących zależy od akustycznych oporności (impedancji akustycznej) rozpatrywanych ośrodków, oporność tę można wyrazić wzorem: Z v E ρ - gęstość środka, v - prędkość fali w tym ośrodku, E moduł Young a. Zjawisko odbicia jest tym wyraźniejsze, im większa jest różnica oporności akustycznych obydwu ośrodków.

11 Podstawy teoretyczne badań ultradźwiękowych Współczynnik odbicia: R I r I 0 I r - natężenie fali odbitej, I 0 - natężenie fali padającej. Współczynnik transmisji: T 1 R

12 Podstawy teoretyczne badań ultradźwiękowych Załamanie fali v 1 v 2 sin 1 sin 2 v v 1 2

13 Podstawy teoretyczne badań ultradźwiękowych Natężenie fali ultradźwiękowej rozchodzącej się w ośrodkach stałych ulega osłabieniu. Składają się na to dwa czynniki: Pochłanianie: część energii fali jest tracona z powodu ciepła wytwarzanego na skutek tarcia wewnętrznego cząstek. Rozpraszenie: (nieukierunkowane odbicie) fali od poszczególnych granic, które występują w ośrodkach niejednorodnych pod względem struktury czy nawet zawierających wady wewnętrzne o wymiarach makroskopowych.

14 Podstawy teoretyczne badań ultradźwiękowych Wielkość strat energii określa energetyczny współczynnik tłumienia γ. Za jego pomocą określić można natężenie fali I w funkcji jej drogi l. I= I 0 e -γl I 0 natężenie fali wyjściowej, e- podstawa logarytmów naturalnych. Wartość współczynnika tłumienia rośnie ze wzrostem częstotliwości fal. (Podobny efekt wywołuje wzrost wielkości ziarna materiału. Z tego powodu do badania materiałów o strukturze gruboziarnistej (np. betonu) należy stosować fale ultradźwiękowe o niskich częstotliwościach ( khz)).

15 Oddziaływanie ultradźwięków ze środowiskiem Ultradźwięki czynne - wytwarzanie fal o znacznym natężeniu w celu osiągnięcia określonych zmian fizycznych lub chemicznych (lutowanie, suszenie, rozkruszanie, terapie medyczne). Ultradźwięki bierne - ze względu na swe małe natężenia są przydatne do pomiarów i diagnostyki. Ultradźwięki bierne są ważnym narzędziem w technice pomiarowej. Znalazły zastosowanie w badaniach materiałów m.in.: przy wykrywaniu defektów mikrostruktury (wykrywanie wad, rozwarstwień, pęknięć), przy pomiarach grubości, przy wyznaczeniu stałych sprężystości, w diagnostyce medycznej.

16 Wytwarzanie fal ultradźwiękowych Zjawisko piezoelektryczne proste: powstawanie ładunków na powierzchni kryształu piezoelektrycznego pod wpływem przyłożonej siły (ściskanie lub rozciąganie wzdłuż jednej z osi). Zjawisko to jest wykorzystywane do odbioru fal ultradźwiękowych. Zjawisko piezoelektryczne odwrotne (wytwarzanie fal ultradźwiękowych): Przekształcenie potencjału elektrycznego w drgania mechaniczne.

17 Wytwarzanie fal ultradźwiękowych Kryształ piezoelektryczny zazwyczaj jest nim materiał krystaliczny (KWARC), który jest aktualnie wypierany przez materiały syntetyczne np. tytanian baru, tytanian ołowiu.

18 Wytwarzanie fal ultradźwiękowych Rodzaje głowic ultradźwiękowych wieloprzetwornikowych głowica liniowa głowica mozaikowa głowica pierścieniowa głowica pierścieniowa segmentowa

19 Metody badań ultradźwiękowych Metoda echa polega na wytworzeniu i wprowadzeniu do badanego materiału impulsów fal ultradźwiękowych oraz ich odbiorze po odbiciu od wady materiałowej lub powierzchni ograniczających. Na podstawie obserwacji tego odbicia można wnioskować o występowaniu nieciągłości w materiale lub powierzchni wynikającej z kształtów badanego przedmiotu. Mierząc czas t, jaki upływa od chwili wysłania fali ultradźwiękowej w głąb badanego materiału do chwili jej powrotu po odbiciu można określić przebytą przez nią drogę. Dzięki temu możliwe staje się określenie położenia wady (l) lub odpowiedniego wymiaru przedmiotu (g).

20 l = vt/2 g = vt/2

21 Na wysokość echa wpływa: - rodzaj i kształt nieciągłości, - pole powierzchni nieciągłości, - orientacja względem wiązki fali ultradźwiękowej, - odległości nieciągłości od głowicy, - własności sprężyste materiału (tłumienie), - jednorodność, anizotropia próbki.

22 Metody badań ultradźwiękowych Metoda przepuszczania (cienia) polega na wprowadzeniu fal ultradźwiękowych z jednej strony badanego materiału i odbieraniu ich z drugiej strony po przejściu przez ten przedmiot przy równoczesnej obserwacji natężenia fal przechodzących. Każda nieciągłość na drodze fal ultradźwiękowych odbija je tworząc za sobą cień, co powoduje osłabienie natężenia fal przechodzących przez obszar z wadą. Metoda cienia nadaje się szczególnie do badania cienkich ciał, takich jak blachy, rurki, druty o grubości do 50 mm. Wadą tej metody jest niemożność stwierdzenia głębokości, na jakiej znajduje się wtrącenie.

23 Metoda stosowana do badania obiektów wykonanych z materiałów silnie tłumiących, do których nie nadaje się metoda echa. Nieciągłość na drodze impulsu powoduje spadek jego amplitudy (osłabienie energii fali). Na osłabienie energii fali przechodzącej przez obiekt ma wpływ: - rodzaj i kształt nieciągłości, - wymiar nieciągłości i położenie względem głowic.

24 Amplituda Charakterystyka metody ultradźwiękowej Defektoskopia to metoda nieniszcząca, stosowana do badań nieruchomych elementów maszyn. Przy jej pomocy w sposób bezpośredni można określić stałe materiałowe, anizotropię próbek, ich niejednorodność oraz defekty mikrostruktury. W zależności od celu badań oraz warunków i możliwości, może być stosowana zarówno metoda przepuszczania jak i metoda echa. przetwornik warstwa sprzęgająca Impuls wygenerowany 1 2 Odbicie od wady Odbicie od tylnej ścianki wada próbka 3 jednostki czasu

25 Przebieg badania I. Wprowadzenie do obiektów fal ultradźwiękowych o częstotliwości powyżej 20 khz. II. Detekcja sygnałów impulsów ultradźwiękowych (przechodzących przez badany obiekt lub odbitych od wady). III. Tworzenie obrazów nieciągłości wewnętrznych poprzez skanowanie powierzchni wzdłuż lub wokół nieciągłości. Lokalizacja wady (określenie odległości od skanowanej powierzchni) odbywa się na podstawie analizy czasu przejścia fali ultradźwiękowej do głowicy do defektu i z powrotem. Informacja o rozmiarze nieciągłości zawarta jest w amplitudzie, fazie, obwiedni sygnałów. Do wykrywania małych nieciągłości powinny być stosowane przetworniki o możliwie wysokiej częstotliwości pracy, jednak ograniczeniem jest wzrost tłumienia wraz ze wzrostem częstotliwości fali.

26 Zastosowania Wykrywanie wad wewnętrznych materiału Pomiary grubości Diagnostyka kontrolna Diagnostyka eksploatacyjna - Wlewki, kęsy, pręty, rury, - Szyny kolejowe i tramwajowe, - Połączenia spawane, zgrzewane, skurczowe, lutowane, nitowane - Wały, wirniki, osie zestawów kołowych, itp. - Kompozytowe podzespoły samolotów, - Opony samochodowe i samolotowe, - Butle gazów technicznych, - Elementy amunicji (łuski), Wyroby ceramiczne (izolatory), Łopatki turbin i sprężarek. - Złącza spawane (mosty), - Połączenia nitowane (poszycia samolotów), - Rurociągi i zbiorniki pod ciśnieniem, - Szyny kolejowe zamontowane na torowiskach, - Części statków, pojazdów kołowych, elementy taboru kolejowego i urządzeń energetycznych.

27 Wady i zalety metody Defektoskopia Zalety Metoda nieniszcząca Możliwość kontroli badanego elementu w całej objętości Szerokie możliwości pomiaru Badania bezpieczne dla operatora Możliwość badania przy dostępie do jednej powierzchni obiektu Brak konieczności przerwania pracy obiektu podczas badania Wady Konieczność stosowania środka sprzęgającego ograniczone możliwości badania elementów drobnych i cienkościennych Wysokie wymagania dotyczące geometrii i powierzchni badanych obiektów Możliwości wykorzystania metod ultradźwiękowych zwłaszcza w badaniach materiałów porowatych, gruboziarnistych, anizotropowych uzależnione są od możliwości aparatury.

28 Rodzaje głowic stosowane w defektoskopii Przetworniki kontaktowe Przetworniki kątowe Głowice Obrazujące A- skan Głowice fazowe Przetworniki z linią opóźniającą Przetworniki immersyjne Dual

29 Warstwa sprzęgająca Warstwa sprzęgająca służy ułatwieniu przejścia fali mechanicznej pomiędzy ośrodkami. Substancjami stosowanymi jako warstwy sprzęgające zwykle są nietoksyczne płyny, żele lub pasty o stosunkowo wysokiej lepkości. Zastosowanie warstwy sprzęgającej jest w defektoskopii niezbędne, z uwagi na fakt, że fale o częstotliwościach ultradźwiękowych nie są skutecznie przewodzone w powietrzu. Przykłady substancji stosowanych jako warstwa sprzęgająca: - klej do tapet, klej malarski, - woda pozbawiona pęcherzy (z dodatkiem detergentów, środków antykorozyjnych, alkoholu), - oleje maszynowe, smary stałe, - gliceryna, wazelina, krem silikonowy, - żel do włosów, - żywice epoksydowe o dużej lepkości, - miód pszczeli, - roztopione sole w przypadku badań w podwyższonych temperaturach.

30 Defektoskop EPOCH 1000 Defektoskop EPOCH 1000 firmy Olympus to urządzenie cyfrowe, przystosowane do pracy w trudnych warunkach, sprawdzone pod kątem odporności na wstrząsy, wibracje, eksplozje oraz działanie w szerokim zakresie temperatur. Defektoskop zawiera: - 2 gniazda do podłączenia głowic: 1 typu T/R oraz 1 typu R - kolorowy wyświetlacz, - wytrzymałą obudowę, - 2 porty USB, wyjście VGA, RS-232 i programowalne wyjścia analogowe - wewnętrzny akumulator litowo-jonowy. EPOCH 1000 może pracować zarówno w trybie echa, jak i w trybie przepuszczania, w zależności od konfiguracji głowic.

31

32

33

34

35 Defektoskop EPOCH 1000 specyfikacja techniczna Pomiary Wyświetlanie wyniku pomiaru Bramka 1 Bramka 2 Takie same jak dla Bramki 1 6 dostępnych pól do wyświetlania wyników (wybór automatyczny lub ręczny) Grubość, Droga wiązki, Rzut na powierzchnię, Głębokość, Amplituda, Czas przejścia, Min/Max głębokość, Min/Max amplituda Bramka IF Grubość Nie dotyczy Echo-do-Echa Inne pomiary DAC/TVG ILOŚĆ punktów krzywej DAC Tryby specjalne DAC Tablica TVG Korekcja zakrzywionej powierzchni W standardzie. Wybór pomiędzy Bramka2-1, Bramka2-IF, Bramka1-IF Standard Przekroczenie (w db) wartości dla DGS/AVG, FBH (ekwiwalentny rozmiar reflektora) dla DGS/AVG, wskaźnik "D" według AWS D1.1/D1.5, Wartość odrzutu W standardzie Do 50 punktów, z zakresem dynamiki 110 db Od 20% do 80% DAC, Własna krzywa DAC (rodzina do 6 krzywych) Do 50 punktów, z zakresem dynamiki 110 db, kompatybilne z Bramką IF we wszystkich ustawieniach PRF Do 20 punktów, 40 db dynamiki Nie dotyczy Do 20 punktów, 40 db dynamiki W standardzie. Rura lub pręt, korekcja średnicy zewnętrznej OD dla pomiarów głowicą kątową.

36 Defektoskop EPOCH 1000 specyfikacja techniczna Kalibracja Automatyczna kalibracja Tryby badań Jednostki Zasięg podstawy czasu Prędkość fali Prędkość fali, Przesunięcie zera (offset) Wiązka prosta - głowice normalne (pierwsze echo denne lub echo-do echa) Wiązka pod kątem - głowice kątowe (Droga wiązki lub Głębokość ) PE - Puls Echo, Podwójny, lub technika przepuszczania Milimetry, Cale lub Mikrosekundy Od 3.33 mm do mm do 5900 m/s Od 635 do 15, 240 m/s Prędkość fali, Przesunięcie zera (offset), Czułość Droga wiązki lub głębokość (kalibracja przesunięcia zera) PE - Puls Echo Przesunięcie zera (offset) Od 0 µs do 750 µs Nie dotyczy Dla 61 wiązek (kątów), 3,33 mm do 390,95 mm do 5900 m/s Przesunięcie podstawy czasu Od -59 mm do 25,400 mm Od 0 do maksymalnego zasięgu Kąt załamania Od 0 do 85 z krokiem kątów, z krokiem: 0.5, 1.0, 1.5, lub 2.0

37 Defektoskop EPOCH 1000 specyfikacja techniczna Nadajnik Typ impulsu nadawczego PRF - częstotliwość powtarzania Ustawienia mocy impulsu nadawczego Szerokość impulsu nadawczego EPOCH 1000, EPOCH 1000iR, EPOCH 1000i (tryb konwencjonalny) Regulowana Fala Prostokątna Od 5 Hz do 6000 Hz z krokiem 5Hz Od 50 V do 475 V z krokiem 25 V Regulowana od 30 ns do 10,000 ns (0.1 MHz) z technologią PerfectSquare EPOCH 1000i (tryb PA - Phased Array) Ręcznie regulowana. Maksymalnie 1520 Hz 40 V lub 80 V Tłumienie 50, 100, 200, 400 Ω Nie dotyczy Opóźnienie impulsu nadawczego Nie dotyczy Regulowana od 40 ns do 1000 ns z technologią PerfectSquare Od 0 to 10 µs, z rozdzielczością 2.5 ns

38 Defektoskop EPOCH 1000 specyfikacja techniczna Odbiornik Wzmocnienie Od 0 do 110 db Od 0 do 80 db Maksymalny sygnał wejściowy 20 Vp-p 250 mvp-p na kanał Impedancja wejściowa odbiornika 400 Omów ± 5% 50 Omów ± 10% Szerokość pasma odbiornika Od 0.2 do db Od 0.5 do db Opóźnienie odbiornika Ustawienia filtrów cyfrowych Rektyfikacja Podcięcie Nie dotyczy Standardowy zestaw filtrów (zbadane i zgodne z PN-EN ): 7 filtrów z zaawansowanym zestawie filtrów (nie zbadane z PN-EN ): 30 filtrów Od 0 do 10 µs, z rozdzielczością 2.5 ns 6 filtrów Pełna fala, Górna połówka fali, Dolna połówka fali, RF Od 0 do 80% FSH (wysokości ekranu) z widocznym ostrzeżeniem Pomiar amplitudy Od 0% do 110% pełnej wysokości ekranu z rozdzielczością 0.25% Częstotliwość pomiarowa Równa częstotliwości powtarzania (PRF) we wszystkich trybach

39 Defektoskop EPOCH 1000 specyfikacja techniczna Bramki Bramki pomiarowe 2 całkowicie niezależne bramki dla pomiarów amplitudy i czasu przejścia Tryb pomiaru Droga fali Droga fali, Głębokość Bramka sprzęgająca Początek bramki Szerokość bramki Wysokość bramki Alarmy Kursory odniesienia Opcjonalna, ze śledzeniem Bramki 1 I 2 Nie dotyczy Zmienny w całym wyświetlanym zakresie podstawy czasu Zmienna w zakresie od początku bramki do końca wyświetlanej podstawy czasu Zmienna od 2% do 95% wysokości ekranu Powyżej lub poniżej progu Minimalna głębokość 2 kursory odniesienia dla zobrazowań A-skan Powyżej lub poniżej progu (dla wybranego kąta) Minimalna głębokość (dla wybranego kąta) 2 kursory odniesienia dla zobrazowań A-skan; 4 kursory dla obrazu sektorowego