Зеркально-теневой способ ультразвукового контроля с разностной компенсацией мешающих факторов

(57) Использование: для ультразвукового контроля. Сущность изобретения заключается в том, что выполняют формирование первого и второго измерительных каналов, содержащих пары генератор-приемник электроакустических преобразователей и смещенных в пространстве по оси движения, при этом центры акустических осей всех преобразователей располагают по одной линии в ряд так, что смещение между центрами приемников равно смещению между центрами генераторов, получают разностный сигнал с выходов указанных каналов и сравнивают уровень данного сигнала с браковочным уровнем, а о присутствии дефекта судят по падению уровня разностного сигнала. Технический результат: повышение достоверности ультразвукового контроля. 2 н.п., 11 з.п. ф-лы, 22 ил.

 

Зеркально-теневой способ ультразвукового контроля с разностной компенсацией мешающих факторов.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к средствам для ультразвукового (УЗ) скоростного эксплуатационного контроля железнодорожного рельсового пути. Также изобретение может быть использовано для УЗ контроля изделий листового, сортового и фасонного проката.

Из авторского свидетельства SU 1497561 А1 (30.07.1989) известен способ зеркально-теневого УЗ контроля изделий равного сечения, включая железнодорожные рельсы, и дефектоскоп для его реализации. Известный способ УЗ контроля включает формирование единственного измерительного канала посредством пары генератор-приемник дефектоскопа, предназначенной для излучения и приема УЗ по зеркально-теневой схеме контроля. Систему преобразователей дефектоскопа приводят в движение и прозвучивают объект контроля УЗ пучком. При этом проводят обработку сигналов с выхода измерительного канала. Наличие дефекта определяют по величине измеренной крутизны изменения амплитудной огибающей принятых колебаний, что позволяет повысить достоверность и точность контроля при значительных скоростях сканирования благодаря тому, что при нарушении акустического контакта из-за подпрыгиваний преобразователей на неровностях пути указанная крутизна изменения меньше аналогичной величины при появлении дефекта.

Зеркально-теневой метод УЗ контроля остается актуальным и в настоящее время. Однако практическая реализация зеркально-теневого метода, основанного на регистрации уменьшения амплитуды прошедшей УЗ волны под влиянием дефекта, затруднена из-за возможных ложных срабатываний, вызываемых падением уровня полезного сигнала по иным, чем указано в SU 1497561 А1, причинам, что делает известное техническое решение недостаточно эффективным. Увеличение зазора между поверхностью рельса и преобразователем при его подпрыгивании на неровностях пути вызывает ослабление измерительного сигнала, а так как форма рабочей грани в сечении рельса отличается от номинальной по причине износа, то измерительный сигнал от электроакустического преобразователя ослабляется вследствие рассеяния части энергии УЗ волн в разные стороны или из-за изменения траектории распространения упругих колебаний относительно приемников. Наличие коррозии на отражающей поверхности головки рельса также вызывает частичное рассеивание УЗ волн и как следствие ослабление регистрируемого сигнала. Загрязнения на отражающей поверхности головки рельса приводят к поглощению УЗ волн и ослаблению полезного сигнала. Кроме того, затухание УЗ волн отличается в рельсах разных производителей, что означает отличие амплитуд принимаемых сигналов от одних и тех же дефектов, если такие рельсы уложены в один путь.

В каждом из перечисленных случаев в какой-то момент времени уровень полезного сигнала в приемнике упадет настолько, что станет ниже браковочного уровня и произойдет ложное срабатывание дефектоскопа, вызванное не наличием дефекта, а слишком большим рассеиванием или поглощением УЗ пучка. По данной причине зеркально-теневой метод УЗ контроля нашел пока еще недостаточное распространение в скоростной дефектоскопии такого важного объекта как рельсовый путь.

Наиболее близкими аналогами настоящего изобретения в части устройства и способа являются, соответственно, УЗ дефектоскоп по авторскому свидетельству SU 564592 А1 (04.11.1975) и реализуемый им зеркально-теневой способ УЗ контроля с разностной компенсацией мешающих факторов.

УЗ дефектоскоп по SU 564592 А1 содержит две пары генератор-приемник из электромагнитно-акустических преобразователей (ЭМАП) для излучения и приема УЗ по зеркально-теневой схеме контроля, два детектора, блок сравнения и индикатор. При функционировании дефектоскопа происходит формирование первого и второго измерительных каналов, содержащих пары генератор-приемник электроакустических преобразователей и смещенных в пространстве по оси движения. Измерительные сигналы проходят детектирование и сравнение. Результирующий сигнал при этом характеризуется более высокой амплитудой помех, чем ослабленного в процессе обработки полезного сигнала. Однако сигналы помех имеют меньшую длительность, что позволяет отфильтровывать их.

Известное техническое решение позволяет повысить надежность УЗ контроля благодаря увеличению соотношения сигнал-шум, но малоприменимо для эксплуатационного УЗ контроля железнодорожного рельсового пути, при котором в реальных условиях доступ к головке рельса ограничен из-за конструктивных особенностей рельсового пути и практически обеспечен по всей длине пути только со стороны рабочей боковой грани головки рельса, что требует медленного ручного контроля отдельных участков (стрелок, переездов и т.п.). Кроме того, при сканировании рельсового пути на высоких скоростях предпочтительно использование решений с более простой обработкой измерительных сигналов.

Задачей является повышение эффективности перспективного УЗ контроля с разностной компенсацией мешающих факторов, необходимой для эксплуатационного УЗ контроля железнодорожного рельсового пути.

Обеспечиваемый настоящим изобретением первый технический результат заключается в повышении результативности и достоверности контроля при сканирования рельсового пути на высоких скоростях, а второй технический результат состоит при этом в упрощении способа УЗ контроля с разностной компенсацией мешающих факторов и устройства для его реализации.

Данные технические результаты достигаются благодаря тому, что в зеркально-теневом способе УЗ контроля, включающем формирование первого и второго измерительных каналов, содержащих пары генератор-приемник электроакустических преобразователей и смещенных в пространстве по оси движения, центры акустических осей всех преобразователей располагают по одной линии в ряд так, что смещение между центрами приемников равно смещению между центрами генераторов. А в процессе сканирования получают разностный сигнал с выходов указанных каналов и сравнивают уровень данного сигнала с браковочным уровнем. Причем о присутствии дефекта судят по падению уровня разностного сигнала.

В частном случае смещение между измерительными каналами выбирают в диапазоне от 3 до 900 мм.

В другом частном случае число измерительных каналов выбирают из условия N>2, где N - число каналов, являющееся четным. При этом каналы смещают равномерно, а сигнал измерительной информации получают как усредненную разность между сигналами из каналов с четными и нечетными номерами, или каналы смещают неравномерно, а разностным сигналам придают весовые коэффициенты и усредняют.

Также технические результаты достигаются благодаря тому, что в УЗ дефектоскопе, содержащем пары генератор-приемник для излучения и приема УЗ по зеркально-теневой схеме контроля, а также устройство для обработки данных, связанное своими входами с выходами приемников УЗ, генераторы и приемники УЗ расположены по одной линии в ряд, причем смещение между приемниками равно смещению между генераторами, а устройство для обработки данных выполнено с возможностью получения разностного сигнала с выходов измерительных каналов и сравнения уровня данного сигнала с браковочным уровнем.

В частном случае дефектоскоп содержит пары генератор-приемник с одинаковыми характеристиками электронно-акустического тракта.

В другом частном случае дефектоскоп содержит пары генератор-приемник, расположенные со взаимным перекрытием.

В другом частном случае смещение между генераторами составляет от 3 до 900 мм.

Также в частном случае все генераторы и приемники собраны в группы из однородных элементов.

В другом частном случае N>2, где N - число пар генератор-приемник, являющееся четным, а устройство для обработки данных выполнено с возможностью получения разностных сигналов с выходов чередующихся измерительных каналов.

В частном случае дефектоскоп содержит пары генератор-приемник, смещенные равномерно. При этом устройство для обработки данных выполнено с возможностью усреднения результата измерений.

В еще одном частном случае дефектоскоп содержит пары генератор-приемник, смещенные неравномерно, причем устройство для обработки данных выполнено с возможностью придания разностным сигналам весовых коэффициентов при усреднении.

Изобретение поясняется следующими иллюстрациями.

Фиг. 1-2: зеркально-теневая схема УЗ контроля железнодорожного рельса при отсутствии дефектов, вид сверху, и форма сигнала на выходе измерительного канала.

Фиг. 3-4: зеркально-теневая схема контроля рельса при появлении дефекта вблизи рабочей грани головки рельса и форма соответствующего сигнала на выходе.

Фиг. 5-6: зеркально-теневая схема контроля рельса при наличии дефекта в центральной части головки и форма сигнала на выходе.

Фиг. 7-8: зеркально-теневая схема контроля рельса с дефектом вблизи внешней части головки и форма измерительного сигнала.

Фиг. 9-10: показано увеличение ширины провала измерительного сигнала при обнаружении более протяженного дефекта.

Фиг. 11: схема УЗ контроля рельсов двумя парами преобразователей, вид сверху.

Фиг. 12: расположение моноблока УЗ преобразователей на головке рельса с внутренним дефектом, вид с торца рельса.

Фиг. 13: расположение двухканального моноблока УЗ преобразователей на головке рельса, вид сбоку.

Фиг. 14: упрощенная принципиальная схема УЗ дефектоскопа с разностной компенсацией мешающих факторов.

Фиг. 15-16: форма сигнала на выходе первого измерительного канала при кратковременном отрыве моноблока от головки рельса и при отсутствии отрыва соответственно.

Фиг. 17-18: форма сигнала на выходе второго измерительного канала при кратковременном отрыве моноблока от головки рельса и при отсутствии отрыва.

Фиг. 19-20: форма разностного сигнала при отрыве моноблока от поверхности рельса и при отсутствии отрыва.

Фиг. 21: четырехканальный моноблок с равномерным смещением каналов.

Фиг. 22: четырехканальный моноблок с неравномерным смещением каналов.

Осуществление настоящего изобретения показано на примере конструкции УЗ дефектоскопа, предпочтительной для скоростного эксплуатационного контроля рельсового пути.

Использующий зеркально-теневую схему УЗ контроля дефектоскоп содержит пару акустически связанных между собой электроакустических преобразователей 1 и 2 (фиг. 1). Преобразователь 1 выполняет функцию генератора УЗ колебаний, а преобразователь 2 служит приемником отраженных УЗ волн и генерирует на своем выходе измерительный электрический сигнал (фиг. 2). Оба преобразователя размещены со стороны рабочей боковой поверхности рельса 3. Зеркально-теневая схема УЗ контроля рельса позволяет по форме сигнала определить глубину нахождения внутреннего дефекта 4 и его размер (фиг. 3-10).

В качестве электроакустических преобразователей использованы ЭМАП 1, 2, 5 и 6. ЭМАП 1 и 2 образуют первую пару акустически связанных преобразователей. Вторая пара образована ЭМАП 5 и 6. ЭМАП 1 и 5 выполняют функцию генераторов УЗ колебаний, а ЭМАП 2 и 6 служат приемниками отраженных от противоположной грани головки рельса 3 УЗ волн. При этом центры акустических осей всех ЭМАП расположены в один ряд и находятся на одной линии 1-1 (фиг. 11-13), конструктивно образуя линейный моноблок 7 преобразователей на общей несущей платформе. Рабочие поверхности ЭМАП 1, 2, 5 и 6 лежат в одной плоскости и обращены к объекту контроля. Пары ЭМАП расположены со взаимным перекрытием, т.к. элементы первой пары преобразователей чередуются с элементами второй пары. За счет чередования элементов пар генераторы 1, 5 образуют по своему расположению первую однородную группу, а приемники 2, 6 образуют вторую однородную группу, отдаленную от первой группы.

Первая пара ЭМАП является частью первого измерительного канала, а вторая пара ЭМАП представляет собой часть второго измерительного канала. Оба канала расположены в одной плоскости зондирования и характеризуются акустической связью, соответственно, генератора 1 с приемником 2 и генератора 5 с приемником 6 по зеркально-теневой схеме контроля, для чего генераторы 1, 5 обеспечивают наклонный ввод УЗ луча в объект контроля, а приемники 2, 6 сдвинуты от них на расстояние, соответствующее толщине головки 3 рельса и углу ввода УЗ луча. Смещение d между центрами приемников равно смещению между центрами генераторов (фиг. 13) и составляет для данного примера 100 мм. Так как ЭМАП 1, 2, 5 и 6 являются однотипными, а закономерность их расположения одинакова, то характеристики электронно-акустических трактов полностью идентичны.

ЭМАП 1, 2, 5 и 6 электрически связаны своими входами/выходами с устройством управления и устройством для обработки данных, конструктивно выполненных в виде единого цифрового вычислительного устройства 8 с интерфейсной частью и аналоговыми функциональными узлами. Разностный усилитель (вычитатель) 9 измерительных сигналов является одним из указанных аналоговых функциональных узлов (фиг. 14) или реализуется компьютерными средствами в виде цифрового функционального узла.

УЗ дефектоскоп устанавливают на железнодорожную тележку и подводят моноблок 7 к рабочей боковой поверхности рельса 3. Устройство переводят в рабочий режим и начинают перемещать вдоль рельсового пути сканируя таким образом головку 3 рельса УЗ пучком в поисках внутренних дефектов типа поперечных трещин 4. На фигурах направление движения условно показано стрелкой V, однако благодаря однотипности ЭМАП 1, 2, 5 и 6 и симметричности схемы прозвучивания устройство способно работать и при перемещении в противоположном направлении.

Устройство управления подает электрические импульсы на генераторы 1, 5 для излучения УЗ колебаний под одинаковым углом к поверхности рельса. При отсутствии дефекта 4 приемники 2 и 6 постоянно принимают отраженный от противоположной стенки головки 3 рельса акустический сквозной сигнал. Появление дефекта 4 ведет к падению уровня полезного сигнала. Во время сканирования сформированы два идентичных измерительных канала с максимально приближенными характеристиками, причем второй канал смещен в пространстве на расстояние d относительно первого канала по оси движения, совпадающей с продольной осью рельса (фиг. 11).

Электрические сигналы с выходов приемников 2 и 6 имеют вид, показанный на фиг. 15-18, где: А - небольшой дефект; В - дефект средней величины, сопровождающийся отрывом моноблока 7 преобразователей от поверхности головки 3 рельса; С - стык рельсов; D - значительный дефект. При необходимости измерительные сигналы сначала проходят вспомогательную предварительную обработку, в частности, фильтрацию или предусиление, а затем поступают на вход разностного усилителя 9. Полученный разностный сигнал (фиг. 19 или 20) с выхода усилителя 9 передают на вход вычислительного устройства 8, сравнивающего уровень полученного разностного сигнала в первоначальном виде, или подвергнутого дополнительной постобработке, с установленным браковочным уровнем и реализующего другие заложенные в него алгоритмы обработки результатов измерений. Если падение уровня разностного сигнала превышает заданный браковочный уровень, то УЗ дефектоскоп сообщает оператору о присутствии в головке 3 рельса дефекта 4.

Так как генераторы и приемники расположены по одной линии в ряд, а смещение между приемниками равно смещению между генераторами, то второй измерительный канал оказывается смещенным в пространстве относительно первого канала по оси движения при реализации показанной на фиг. 11 схемы. При этом дефект 4 сначала пересекает первый УЗ пучок, а через некоторое время второй пучок. Задержка между падениями сигналов с выходов приемников 2 и 6 при этом составит δt=d/υ, где: δt - временная задержка между сигналами; d - смещение между каналами; υ - скорость движения преобразователей относительно объекта контроля. Задержка между измерительными сигналами ведет к практически удвоению полной амплитуды сигнала от дефекта 4 на разностном сигнале. Однако какой-либо мешающий фактор, снижающий уровень принимаемого сигнала (подпрыгивание, рассеивание, коррозия, изменение формы профиля, отличие свойств реального рельса от настроечного и пр.), действует на измерительные каналы одновременно и в равной степени. Соответственно, вызванные мешающим фактором изменения измерительных сигналов временной задержки не имеют, а следовательно их разность будет близка к нулю, что позволяет отфильтровать таким образом данный сигнал помехи, а не бороться с мешающим фактором путем увеличения усиления дефектоскопа, что способно привести к пропуску небольшого или даже среднего дефекта. Как видно из фиг. 15 и 16, сигнал на выходе первого измерительного канала при кратковременном отрыве моноблока 7 от головки 3 рельса существенно отличается от сигнала при отсутствии отрыва. Аналогичная картина наблюдается для второго канала (фиг. 17, 18). Однако при этом кривая разностного сигнала при отрыве (фиг. 19) практически идентична кривой разностного сигнала при отсутствии отрыва (фиг. 20). Таким образом, отрыв моноблока 7 от головки 3 рельса не сказался на результирующей разнице сигналов, хотя для каждого из каналов по отдельности это было существенно.

Для вывода о присутствии в объекте контроля дефекта достаточно сравнить с браковочным уровнем падение уровня разностного сигнала, получаемого с выходов смещенных в пространстве по оси движения одинаковых (смещение между центрами приемников равно смещению между центрами генераторов) измерительных каналов, построенных по зеркально-теневой схеме. Отсутствие необходимости в какой-либо иной обработке сигналов, включая детектирование, необходимое в ранее известном способе, делает способ и устройство по настоящему изобретению максимально простыми, результативным и достоверным, что приобретает особую важность при сканирования рельсового пути на высоких скоростях, вплоть до 200 км/ч. Благодаря расположению центров акустических осей всех УЗ преобразователей по одной линии в ряд при зеркально-теневой схеме обеспечена возможность УЗ контроля с одной стороны объекта контроля - со стороны рабочей боковой грани головки рельса, что позволяет исключить ручные операции, а следовательно делает контроль проще, повышает его результативность и достоверность при сканирования рельсового пути на высоких скоростях.

В процессе сканирования избирательность УЗ дефектоскопа к контролируемым дефектам объекта контроля будет тем выше, чем ближе друг к другу характеристики электронно-акустического тракта измерительных каналов, что определяется в значительной мере точностью задания равенства смещения между приемниками смещению между генераторами. Расстояние d выбирают опытным путем в зависимости от требований, в частности, к скорости контроля и размерам выявляемых дефектов. На практике повышении результативности и достоверности контроля при сканирования рельсового пути на высоких скоростях достигается, если величина d находится в диапазоне 3÷900 мм.

Расположение пар генератор-приемник со взаимным перекрытием, когда все генераторы и приемники собраны в группы из однородных элементов, необходимо, если величина d не должна превышать базовое расстояние между преобразователями в паре.

Дополнительно повысить результативность и достоверность УЗ контроля при сканирования рельсового пути на высоких скоростях можно при получении измерительной информации с большего числа каналов. Число пар генератор-приемник для этого выбирают из условия N>2, где N - число каналов, являющееся четным. При этом возможны два варианта расположения пар генератор-приемник: равномерное и неравномерное. При равномерном взаимном смещении пар преобразователей (фиг. 21) сигнал измерительной информации получают как усредненную разность между сигналами из каналов с четными и нечетными номерами, что позволяет избавиться от случайных помех. Если каналы смещены неравномерно (фиг. 22, где S - константа), то разностным сигналам сначала придают весовые коэффициенты, корректируя таким образом результат для более точной избирательности, а потом усредняют.

Возможные реализация настоящего изобретения не ограничены представленным примером. Техническое решение подходит и для проведения контроля рельсового пути с поверхности катания для прозвучивания всего рельса и даже с боковой части шейки рельса. Также возможно улучшение избирательности УЗ дефектоскопов работающих, например, на основе теневого метода или метода многократной тени.

1. Зеркально-теневой способ ультразвукового контроля, включающий формирование первого и второго измерительных каналов, содержащих пары генератор-приемник электроакустических преобразователей и смещенных в пространстве по оси движения, отличающийся тем, что центры акустических осей всех преобразователей располагают по одной линии в ряд так, что смещение между центрами приемников равно смещению между центрами генераторов, получают разностный сигнал с выходов указанных каналов и сравнивают уровень данного сигнала с браковочным уровнем, а о присутствии дефекта судят по падению уровня разностного сигнала.

2. Способ контроля по п. 1, характеризующийся тем, что смещение между измерительными каналами выбирают в диапазоне от 3 до 900 мм.

3. Способ контроля по п. 1, характеризующийся тем, что число измерительных каналов выбирают из условия N>2, где N - число каналов, являющееся четным.

4. Способ контроля по п. 3, характеризующийся тем, что каналы смещают равномерно, а сигнал измерительной информации получают как усредненную разность между сигналами из каналов с четными и нечетными номерами.

5. Способ контроля по п. 3, характеризующийся тем, что каналы смещают неравномерно, а разностным сигналам придают весовые коэффициенты и усредняют.

6. Ультразвуковой дефектоскоп, содержащий пары генератор-приемник для излучения и приема ультразвука по зеркально-теневой схеме контроля, а также устройство для обработки данных, связанное своими входами с выходами приемников ультразвука, отличающийся тем, что генераторы и приемники ультразвука расположены по одной линии в ряд, причем смещение между приемниками равно смещению между генераторами, а устройство для обработки данных выполнено с возможностью получения разностного сигнала с выходов измерительных каналов и сравнения уровня данного сигнала с браковочным уровнем.

7. Дефектоскоп по п. 6, содержащий пары генератор-приемник с одинаковыми характеристиками электронно-акустического тракта.

8. Дефектоскоп по п. 6, содержащий пары генератор-приемник, расположенные со взаимным перекрытием.

9. Дефектоскоп по п. 6, характеризующийся тем, что смещение между генераторами составляет от 3 до 900 мм.

10. Дефектоскоп по п. 6, характеризующийся тем, что все генераторы и приемники собраны в группы из однородных элементов.

11. Дефектоскоп по п. 6, характеризующийся тем, что N>2, где N - число пар генератор-приемник, являющееся четным, а устройство для обработки данных выполнено с возможностью получения разностных сигналов с выходов чередующихся измерительных каналов.

12. Дефектоскоп по п. 11, содержащий пары генератор-приемник, смещенные равномерно, при этом устройство для обработки данных выполнено с возможностью усреднения результата измерений.

13. Дефектоскоп по п. 11, содержащий пары генератор-приемник, смещенные неравномерно, причем устройство для обработки данных выполнено с возможностью придания разностным сигналам весовых коэффициентов при усреднении.