Ультразвуковой наклонный преобразователь для измерения скорости распространения акустических волн в стальных прокатных изделиях при определении параметров механических свойств, характеризующих хладостойкость

Использование: для определения скорости распостранения акустических волн в различных твердых материалах в конструкциях, таких как газопроводы, нефтепроводы, резервуары и другие ответственные металлоконструкции, без прерывания их работоспособности. Сущность изобретения заключается в том, что ультразвуковой наклонный преобразователь для измерения скорости распространения акустических волн в стальных прокатных изделиях содержит наклонные преобразователи, включающие призмы, состоящие из четырех основных рабочих элементов, двух оснований, одного волновода, пьезоэлемента в форме кольца с центральным отверстием и устанавливающегося на плоской поверхности основания, имеющего в центральной части малое параболоидное зеркало, при помощи которого обеспечивается максимальная концентрация акустической энергии, второе основание призмы выполняется в форме большого параболоидного зеркала, центральная часть которого имеет форму вытянутого волновода для направления сгенерированных пьезоэлементом акустических волн в большое параболоидное зеркало, от которого акустические волны фокусированно направляются в сторону малого параболоидного зеркала, при этом фокальные пятна обоих зеркал совмещаются в одну точку, за счет чего акустические волны выравниваются, равномерно направляются к волноводу, имеющему диаметр, равный диаметру центрального отверстия пьезоэлемента. Технический результат: обеспечение возможности сужения диаграммы направленности акустического поля без потери энергии, снижение вероятности прохождения акустического поля через возникающие в процессе прокатки стального изделия участки с повышенной анизотропией, причем падение энергии акустического давления минимально. 1 ил.

 

Изобретение относится к акустическим методам неразрушающего контроля, а именно к пьезоэлектрическим ультразвуковым наклонным преобразователям, применяющимся для определения скорости распространения акустических волн в различных твердых материалах, таких как газопроводы, нефтепроводы, резервуары и других ответственных металлоконструкций без прерывания их работоспособности. Применяется для оперативного определении параметров механических свойств, характеризующих хладостойкость, например, ударной вязкости стального изделия, которая рассчитывается скоростью распространения акустических волн в материале, изменение которого является основным показателем надежности в процессе эксплуатации изделия в низкотемпературных условиях. При этом, местная анизотропия в изделии, существенно влияет на скорость распространения акустических волн.

Известны наиболее близкие к предлагаемому патенту аналоги:

- пьезоэлектрические наклонные преобразователи, содержащие пьезоэлемент и преломляющее тело в виде призмы, осуществляющие контроль путем ввода ультразвуковых колебаний под заданным углом в заданную среду (авторские свидетельства СССР №1755177, 1992 г. и №1777073, 1992 г., а также патент Российской Федерации №2024012, 1994 г., МПК G01N 29/04). Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является ультразвуковой наклонный преобразователь по авторскому свидетельству СССР №1099274, G01N 29/04, 1984. Указанный преобразователь содержит корпус, на внутреннюю поверхность которого нанесен демпфирующий слой, призму с наружной поверхностью по форме усеченной гиперболы, пьезоэлемент, размещенный в части призмы, предназначенной для установки на контролируемое изделие.

К недостаткам данных предложений относятся их ограниченное фокусное расстояние и большая стрела преобразователя, что значительно уменьшает полезную область базы датчика для определения скорости распространения акустических волн в материалах.

Известно, что для контроля качества структуры твердых материалов, например, сталей, используют скорость распространения акустических волн и как правило, основное внимание уделяется на определение прочностных параметров материала - предела прочности и выносливости материала. Для определения прочностных параметров сталей, наиболее точным способом измерения скорости распространения акустических волн является метод расчета автоциркуляционных акустических импульсов. При этом, чем больше площадь одноразового прохождения акустических волн через материал, тем выше точность определения прочностных характеристик. Соответственно, расширение диаграммы направленности акустического поля наклонного преобразователя, путем использования прямоугольной формы пьезоэлемента наклонного широкозахватного преобразователя, является преимуществом для определения общей прочностной характеристики как пределы выносливости и прочности.

Недостатком широкозахватных и стандартных с дисковыми пьезоэлементами наклонных преобразователей, используемых для измерения скорости распространения акустических волн, это повышенная чувствительность к технологической анизотропии в материалах, обусловленная широкой диаграммой направленности акустического поля. Данная особенность, является преимуществом для определения общей прочностной характеристики, но недостатком для определения ударной вязкости - одного из основных показателей хладостойкости твердых материалов. Таким образом, к общим недостаткам пьезопреобразователей для измерения скорости распространения акустической волны в сталях является их конструктивная особенность, предназначенная для поиска несплошностей.

Целью изобретения является повышение достоверности определения параметров механических свойств в стальных прокатных изделиях, характеризующих хладостойкость, путем сужения диаграммы направленности акустического поля ультразвукового наклонного преобразователя, снижающий вероятность прохождения акустического поля через возникающие в процессе прокатки стального изделия участки с повышенной анизотропией, с минимальным падением энергии акустического давления.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных выше недостатков аналогов, а именно обеспечение преобразователей, конструктивными средствами, которые позволят значительно увеличить точность определения скорости распространения акустических волн за счет сужения диаграммы направленности акустического поля без прерывания работоспособности контролируемого объекта, расширение диапазона контролируемых изделий:

- возможность проведения измерения в стесненных условиях с ограниченным доступом;

- возможность выбора участка в изделии с низкой анизотропией материала, как следствие повысить точность определения скорости акустических волн при расчете ударной вязкости материала изделия.

Поставленная задача решается за счет применения в конструкции датчика для измерения скорости распространения акустических волн, наклонных преобразователей, содержащих призмы особой конфигурации. Конфигурация призмы наклонного преобразователя состоит из четырех основных рабочих элементов: двух оснований выполненных в виде параболоидных зеркал; одного волновода; пьезоэлемента в форме кольца с центральным отверстием и установленным на плоской поверхности одного из оснований, пьезоэлемент в форме кольца обеспечивает максимальную концентрацию акустической энергии. На одном из оснований призмы выполнено малое параболоидное зеркало и поверх него установлен пьезоэлемент в форме кольца, диаметр центрального отверстия которого равен диаметру малого параболоидного зеркала. Второе основание призмы имеет форму большого параболоидного зеркала, центральная часть которого имеет форму вытянутого волновода. Суть работы заключается: сгенерированные пьезоэлементом акустические волны направляются в большое параболоидное зеркало, где получают фокусированное направление в сторону малого параболоидного зеркала, при этом фокальные пятна обоих зеркал совмещены в одну точку, за счет чего акустические волны выравниваются и получают равномерное направление в сторону волновода диаметром, равном диаметру центрального отверстия пьезоэлемента.

Получаемый технический результат заключается:

- значительно снижается вероятность прохождения акустического поля через возникающие в процессе прокатки стального изделия участки с повышенной анизотропией, при этом падение энергии акустического давления минимальна.

Конструкция пьезопреобразователя поясняется изображением его разреза (Фиг. 1). Преобразователь состоит из корпуса 1 (фиг. 1), внутри которого наклонно установлена особой формы призма 2 (фиг. 1), имеющая два основания и боковую поверхность, выполненная из звукопроводящего материала, например, оргстекла. Внутренняя полость корпуса заполнена демпфирующим материалом 3 (фиг. 1). Одно из оснований призмы выполнено с внешней стороны плоским по периферии, и на плоской внешней части основания установлен пьезоэлемент 4 (фиг. 1) в форме кольца с центральным отверстием. Второе основание призмы представляет собой большое параболоидное зеркало 5 (фиг. 1). Малое параболоидное зеркало 6 (фиг. 1), расположено в центральном отверстии пьезоэлемента 4 (фиг. 1). Зеркальная поверхность малого параболоидного зеркала направлена навстречу зеркальной поверхности большого параболоидного зеркала, а фокальные пятна 7 (фиг. 1) обоих зеркал сходятся в одной точке. В середине большого параболоидного зеркала имеется волновод, имеющий диаметр равный внутреннему диаметру центрального отверстия в пьезоэлемента в виде кольца 4 (фиг. 1), контактирующий с объектом контроля. При создании пьезоэлементом 4 (фиг. 1) акустической волны, отражаясь от зеркальной поверхности большого параболоидного зеркала 5 (фиг. 1), акустическая волна фокусируется в совмещенном фокусном пятне 7 (фиг. 1) малого 6 (фиг. 1) и большого 5 (фиг. 1) зеркал. Далее, отражаясь от зеркальной поверхности малого параболоидного зеркала 6 (фиг. 1), распространяется по волноводу 8 (фиг. 1) и далее, преломляясь, вводится в контролируемое изделие, сообщая ему ультразвуковые колебания. В результате применения преобразователя с призмой данной конструкции достигается сужение диаграммы направленности акустического поля в объекте контроля 9 (фиг. 1) без потери концентрации его энергии и значительно снижается вероятность прохождения акустического поля через возникающие в процессе прокатки стального изделия участки с повышенной анизотропией, при этом падение энергии акустического давления минимальна.

Ультразвуковой наклонный преобразователь для измерения скорости распространения акустических волн в стальных прокатных изделиях при определении параметров механических свойств, характеризующих хладостойкость, отличающийся тем, что применяются в конструкции датчика для измерения скорости распространения акустических волн наклонные преобразователи, включающие призмы особой конфигурации, состоящие из четырех основных рабочих элементов, двух оснований, одного волновода, пьезоэлемента в форме кольца с центральным отверстием и устанавливающегося на плоской поверхности основания, имеющего в центральной части малое параболоидное зеркало, при помощи которого обеспечивается максимальная концентрация акустической энергии, второе основание призмы выполняется в форме большого параболоидного зеркала, центральная часть которого имеет форму вытянутого волновода для направления сгенерированных пьезоэлементом акустических волн в большое параболоидное зеркало, от которого акустические волны фокусированно направляются в сторону малого параболоидного зеркала, при этом фокальные пятна обоих зеркал совмещаются в одну точку, за счет чего акустические волны выравниваются, равномерно направляются к волноводу, имеющему диаметр, равный диаметру центрального отверстия пьезоэлемента, в результате достигается сужение диаграммы направленности акустического поля без потери энергии, снижается вероятность прохождения акустического поля через возникающие в процессе прокатки стального изделия участки с повышенной анизотропией, при этом падение энергии акустического давления минимально.



 

Похожие патенты:

Использование: для высокоскоростного ультразвукового контроля рельсов. Сущность изобретения заключается в том, что подают в рельс ультразвуковые зондирующие сигналы несколькими однонаправленными наклонными электроакустическими преобразователями, получают ими отраженные ультразвуковые сигналы, выполняют совместную оценку их средством обработки, по результатам которой судят о наличии дефекта, при этом моменты излучения электроакустических преобразователей выбирают так, чтобы ультразвуковые зондирующие сигналы от них поступали к предполагаемому дефекту одновременно.
Изобретение относится к области диагностического обслуживания газопроводов. Способ определения очагов развивающейся подпленочной коррозии газопроводов включает точное определение местоположения его оси трассопоисковым комплексом, при этом расположение участка, подверженного подпленочной коррозии с водородной деполяризацией, устанавливают с помощью высокочувствительного детектора эмиссии водорода, позволяющего регистрировать превышение заранее определенного фонового значения его концентрации над этим участком на 10 и более ppm.

Использование: для обнаружения питтинговой коррозии (питтинга) в контролируемых изделиях методом направленных акустических волн. Сущность изобретения заключается в том, что с помощью ультразвуковых пьезоэлектрических преобразователей, предназначенных для проведения ультразвуковой толщинометрии стенки трубопровода, осуществляют генерацию запускающего импульса и прием отраженных эхо-сигналов через постоянный интервал дистанции - скан, усиливают, оцифровывают и передают в бортовой вычислитель по каждому пьезоэлектрическому преобразователю оцифрованную осциллограмму принятого эхо-сигнала, производят накопление и усреднение оцифрованных осциллограмм за два и более цикла озвучивания в каждом скане, измеряют интервал времени между фронтом излученного прямого ультразвукового сигнала и фронтом принятого отраженного ультразвукового сигнала от внутренней поверхности стенки трубопровода, образующий первый эхо-сигнал, вычисляют энергию первого эхо-сигнала, измеряют интервал времени между фронтом первого эхо-сигнала и фронтом принятого отраженного эхо-сигнала от внешней поверхности стенки трубопровода, образующий второй эхо-сигнал, вычисляют энергию второго эхо-сигнала, сравнивают величину энергии второго эхо-сигнала текущего А-скана с величинами энергий вторых эхо-сигналов предыдущих А-сканов, обнаруживают третий эхо-сигнал, в интервале между первым и вторым эхо-сигналами, при наличии третьего эхо-сигнала вычисляют энергию третьего эхо-сигнала, измеряют временной интервал между максимумами энергий второго и третьего эхо-сигналов, определяют глубину питтинга.

Использование: для контроля технического состояния трубопровода. Сущность изобретения заключается в том, что информационно-диагностический комплекс для контроля технического состояния трубопроводов содержит основание, выполненное массивным и виброустойчивым, устройство возбуждения, состоящее из последовательно соединенных: акустического излучателя, установленного на опору, цифро-аналогового преобразователя и персонального компьютера, а также устройство регистрации, состоящее из двух чувствительных элементов, которые могут быть выполнены в виде пьезоэлектрического датчика, микрофона или лазерного виброметра, установленных с возможностью регулирования расстояния между ними и возможностью их перемещения вдоль продольной оси исследуемого трубопровода, при этом введена система опор с фиксаторами, на которых размещен исследуемый трубопровод.

Использование: для ультразвукового обнаружения продольных трещин в головке рельса. Сущность изобретения заключается в том, что на поверхность катания рельса устанавливают первый электроакустический преобразователь, ориентированный попрек головки рельса на нижнюю выкружку головки со стороны рабочей грани с возможностью приема от нее отраженных сигналов, перемещают преобразователь вдоль рельса с определенной скоростью, периодически излучают ультразвуковые колебания, принимают отраженные от нижней выкружки головки со стороны рабочей грани рельса эхо-сигналы, анализируют амплитуду принятых сигналов, при этом принимают отраженные от нижней и верхней плоскостей продольной трещины эхо-сигналы, зеркально первому устанавливают второй электроакустический преобразователь, но направленный на нижнюю выкружку со стороны нерабочей грани головки рельса и функционирующий аналогично первому, совместно с первым второй преобразователь перемещают вдоль рельса, оценку глубины залегания и степени развития продольной трещины производят на основе анализа амплитуд и временного положения последовательно поступающих, по мере перемещения преобразователей, эхо-сигналов от трещины и уровней амплитуд эхо-сигналов от нижних выкружек головки рельса.

Изобретение относится нефтегазодобывающей промышленности, в частности к неразрушающим способам контроля скважинных труб. Образец содержит тело из контролируемого материала, содержащего искусственный дефект.

Изобретение относится к области исследований физико-механических свойств материалов и может быть использовано для определения огнестойкости строительных материалов.

Изобретение относится к области исследований физико-механических свойств материалов и может быть использовано для определения огнестойкости строительных материалов.

Использование: для контроля металла рабочих лопаток турбины, подвергающихся длительным эксплуатационным нагрузкам при повышенных температурах. Сущность изобретения заключается в том, что к лопаткам турбины применяются методы дефектоскопии, показывающие наличие дефектов в металле путем обследования после останова турбины большой группы лопаток, на которых возможно наличие трещин.

Изобретение относится к области оптических методов контроля, а более конкретно к фотометрическим методам контроля параметров люминесценции окрашенной границы пропитки при настройке лазерного излучения на частоту квантового перехода в спектре исследуемого вещества.

Использование: для определения скорости распостранения акустических волн в различных твердых материалах в конструкциях, таких как газопроводы, нефтепроводы, резервуары и другие ответственные металлоконструкции, без прерывания их работоспособности. Сущность изобретения заключается в том, что ультразвуковой наклонный преобразователь для измерения скорости распространения акустических волн в стальных прокатных изделиях содержит наклонные преобразователи, включающие призмы, состоящие из четырех основных рабочих элементов, двух оснований, одного волновода, пьезоэлемента в форме кольца с центральным отверстием и устанавливающегося на плоской поверхности основания, имеющего в центральной части малое параболоидное зеркало, при помощи которого обеспечивается максимальная концентрация акустической энергии, второе основание призмы выполняется в форме большого параболоидного зеркала, центральная часть которого имеет форму вытянутого волновода для направления сгенерированных пьезоэлементом акустических волн в большое параболоидное зеркало, от которого акустические волны фокусированно направляются в сторону малого параболоидного зеркала, при этом фокальные пятна обоих зеркал совмещаются в одну точку, за счет чего акустические волны выравниваются, равномерно направляются к волноводу, имеющему диаметр, равный диаметру центрального отверстия пьезоэлемента. Технический результат: обеспечение возможности сужения диаграммы направленности акустического поля без потери энергии, снижение вероятности прохождения акустического поля через возникающие в процессе прокатки стального изделия участки с повышенной анизотропией, причем падение энергии акустического давления минимально. 1 ил.

Наверх