Новости:

Достоверность результатов при измерении толщины с помощью ультразвука

В.Грошев

Известно, что достаточно хорошее совпадение результатов измерения с действительной толщиной реальных изделий (т.е. достоверность результатов) в большинстве случаев контроля с помощью ультразвука может быть обеспечено только при высокой чувствительности измерительных приборов. Это обусловлено тем, что реальные изделия крайне редко имеют плоские гладкие поверхности, а в основном криволинейны и корродированны или шероховаты вследствие механической обработки. Вследствие этого ультразвуковые датчики контактируют с изделием только частично, что сопровождается значительными потерями энергии излучаемого и принимаемого ультразвука. Другим обстоятельством, способствующим ослаблению ультразвуковых сигналов, является шероховатость задней стенки контролируемого изделия, также возникающая вследствие коррозии или механической обработки. Эта шероховатость приводит к рассеиванию ультразвука в материале изделия, и, соответственно, к дополнительному уменьшению мощности отраженных сигналов. Особенно сильно эта мощность снижается в случае отражения ультразвука от отдельных глубоких утонений стенки изделия (язв), имеющих очень малую отражающую поверхностью, однако очевидно, что чувствительность измерительного прибора должна быть достаточной для правильного измерения остаточной толщины в любом месте корродированного объекта.

В связи с изложенным создается впечатление, что для повышения достоверности измерений необходимо обеспечивать как можно более высокую чувствительность приемного тракта ультразвукового толщиномера. Однако это не так.

Это объясняется тем, что хороший ультразвуковой толщиномер должен быть универсальным устройством, пригодным для измерения толщины как криволинейных корродированных изделий и пластиков с высоким затуханием ультразвука, так и для контроля ровного полированного алюминия, шлифованной стали и керамики. И если чувствительность усилительного тракта такого толщиномера превышает определенный уровень, то с учетом характера ультразвуковых сигналов при контроле трех последних упомянутых выше объектов получение правильных результатов измерения становится невозможным, поскольку при возбуждении ультразвука в таких изделиях возникает много помех, амплитуда которых возрастает пропорционально мощности полезного сигнала и которые вследствие этого превышают пороговый уровень схемы дискриминации толщиномера. Поэтому увеличение чувствительности приемного тракта ультразвукового толщиномера настолько же увеличивает достоверность результатов контроля в случае слабых отраженных сигналов, насколько ухудшает ее в хороших условиях контроля, когда отраженные сигналы имеют большую величину.

Для решения этой проблемы в толщиномерах некоторых производителей применяется ручная регулировка чувствительности, которая, к сожалению, совершенно неэффективна. Это, в частности, объясняется тем, что при использовании раздельно-совмещенных преобразователей уровень сигналов в сильной степени зависит от толщины контролируемого изделия. Поэтому использование такой регулировки сразу накладывает ограничение на чувствительность толщиномера, поскольку допустимый уровень усиления устанавливается вручную при измерении шлифованного эталона, толщина которого обычно соответствует зоне максимальной чувствительности, в которой амплитуды отраженных сигналов максимальны, но соответственно максимальную амплитуду имеют и помехи. В результате подобной настройки любой результат при контроле реального объекта с криволинейной поверхностью оказывается отсутствующим или в лучшем случае сомнительным. Поэтому чувствительность нужно регулировать каждый раз при желании получить результат измерения, после чего для проверки его правильности на всякий случай желательно сверять его с техдокументацией на контролируемое изделие. Разумеется, что этого никто не делает. Поэтому такой способ используется в толщиномерах, которые только формально относятся к категории измерительных приборов, а на самом деле являются примитивными индикаторными устройствами, которые совершенно непригодны для оценки состояния технических объектов.

Значительно лучшие результаты удается обеспечить при использовании временной регулировки чувствительности (ВРЧ) совместно с ручной регулировкой. Такой способ позволяет устранить зависимость чувствительности раздельно-совмещенных датчиков от толщины (пат. РФ №2158901), вследствие чего стало возможным значительно (в 3 – 5 раз) увеличить чувствительность толщиномера без перегрузки его усилительного тракта большими сигналами, что заметно повышает качество ультразвукового контроля. В результате толщиномеры ТАУ, в которых реализован указанный способ, даже обладая довольно скромными показателями по достоверности, стали одними из наиболее популярных измерительных приборов в нефтедобывающих районах России.

Более высокая достоверность результатов может быть обеспечена при использовании автоматической регулировки усиления (АРУ). При использовании АРУ максимальный уровень сигнала на входе дискриминатора ультразвукового измерительного прибора поддерживается примерно постоянным, что позволяет в широком диапазоне изменения амплитуд отраженных сигналов более точно выделить моменты превышения порогового уровня отраженными сигналами. Такой способ регулировки чувствительности уже более 10-ти лет используется в толщиномерах типа ТАУ410, что делает эти приборы весьма эффективным ультразвуковым инструментом.

К сожалению, применение АРУ позволяет решить проблему достоверности лишь частично. Это объясняется тем, что если бы отраженные ультразвуковые сигналы во всем диапазоне толщин были бы одинаковы по форме (подобны), то использование АРУ обеспечивало бы практически абсолютную достоверность результатов измерения. Однако обеспечить подобие отраженных сигналов во всем диапазоне толщин обычно невозможно, поскольку в ближней зоне, в которой отраженные сигналы представляют наибольший интерес, эти сигналы накладываются друг на друга и форма отраженного сигнала существенно искажается. Кроме этого, как это уже указывалось ранее, при использовании раздельно-совмещенных пьезопреобразователей, которые в настоящее время используются почти исключительно для контроля толщины, существует сильная зависимость между толщиной изделия и формой принимаемых сигналов. Вдобавок при большом усилении сигналы начинают суммироваться с помехами, в частности с помехами, создаваемыми поверхностными волнами. В результате АРУ оказывается эффективной только в дальней зоне, где помехи отсутствуют, а отраженные сигналы гарантированно не накладываются друг на друга и сохраняют свою форму, и в средней зоне, при достаточно больших отраженных сигналах. Достоверность же измерения малых сигналов и сигналов в ближней зоне остается по-прежнему сомнительной. Следовательно, перечисленные способы и их аналоги, применяемые в иностранной аппаратуре, чаще всего не обеспечивают достаточной достоверности результатов измерения, особенно в сложных условиях контроля вследствие своей неоптимальности.

Естественно, поскольку мы заинтересованы как в повышении достоверности измерений, обеспечиваемой нашими приборами, так и в улучшении качества ультразвукового контроля вообще, мы непрерывно совершенствуем наши толщиномеры для устранения этого недостатка.

В результате нами разработаны два передовых способа повышения достоверности измерений ультразвуковыми толщиномерами, не имеющие аналогов ни в зарубежном, ни тем более в отечественном приборостроении. Первый способ, запатентованный в 2012 г. (пат. РФ №2451933), заключается в электрическом демпфировании излучающей пьезопластины, обеспечиваемом исключительно за счет электронных узлов толщиномера. Использование такого технического решения позволяет получить демпфирование намного лучшее, чем при использовании композитных демпферов, наносимых на заднюю поверхность пьезопластины. Для аналогичной цели иностранные фирмы используют дорогие пьезопластины из метаниобата свинца из-за его низкой добротности. В наших же датчиках продолжает использоваться дешевый материал типа ЦТС, обладающий почти на порядок более высокой добротностью, однако использование электрического демпфирования позволяет получить существенно лучшие характеристики отраженных сигналов по сравнению с импортными аналогами. Это позволило сохранить неизменной конструкцию наших датчиков, которые продолжают оставаться намного более технологичными по сравнению с преобразователями любых других производителей, имеют в 5 и более раз более низкую стоимость по сравнению с импортными аналогами и, с учетом возможности ремонта, в 3 и более раз больший срок службы. В результате электрического демпфирования при исключительно простой и недорогой конструкции датчиков отраженные сигналы становятся настолько короткими и подобными друг другу, что практически при любой толщине изделия сигналы не перекрываются, а поэтому, используя АРУ, можно практически во всем диапазоне измеряемых толщин получить отсчеты, соответствующие действительной толщине.

Однако реализация этого способа связана с относительно большой сложностью аппаратной части ультразвукового толщиномера, что в конечном итоге выливается в достаточно высокую стоимость приборов ультразвукового контроля – 30 40 тыс. руб. Тем не менее, первоклассный прибор такого типа, ТАУ410 нового поколения, готовится к производству и начало его серийного выпуска планируется на 2014 г. Кроме исключительно высокой чувствительности и практически абсолютной достоверности измерений практически в любых условиях этот прибор обладает возможностью вывода графической информации, позволяющей осуществлять визуальный анализ сигналов, что при высокой квалификации дефектоскопистов позволит дополнительно повысить достоверность ультразвукового контроля, например, при контроле чугуна и других аустенитных и композитных материалов. Вдобавок этот прибор ориентирован на использование совмещенных датчиков, практически полностью заменяющих раздельно-совмещенные, на измерение чистого металла через покрытия, а также он может использоваться с наклонными пьезопреобразователями для предварительной дефектоскопии изделий.

Но толщиномеры серии ТАУ популярны не только из-за своих возможностей, но и вследствие своей невысокой цены. Поэтому, чтобы сохранить это бесспорное преимущество наших приборов, мы продолжали поиски и разработали другой способ повышения достоверности измерений, который заключается в использовании алгоритмического оптимального фильтра, реализованного на программном уровне. Использование этого способа практически не отражается на цене нашей аппаратуры, поскольку ее аппаратная часть стала даже проще, а вся нагрузка по анализу сигналов ложится целиком на программное обеспечение.

Именно этот алгоритм оптимальной фильтрации ультразвуковых сигналов, разработка которого завершена в 2013 г., позволил значительно повысить достоверность результатов измерения, получаемых с помощью недорогих приборов серии ТАУ. Теперь такие приборы обладают чувствительностью и достоверностью результатов более высокой, нежели наиболее совершенные и дорогие приборы ТАУ410 прошлого поколения. Примерно такую же достоверность результатов измерения позволяют получить и импортные приборы стоимостью 100 – 200 тыс. руб., однако по нашему мнению такие цены больше подходят для подержанных автомобилей и столько платить только за то, чтобы толщиномер в той или иной степени правильно измерял толщину при наличии более дешевых аналогов как минимум неразумно. Хотя еще хуже, если при несколько меньшей цене прибор продается как средство измерения, однако это «средство» в реальных условиях не только не обеспечивает достоверности, но зачастую и вообще ничего не может измерить. Очевидно, что приобретение и использование подобных «средств измерения» уже граничит с вредительством. Поскольку любой ультразвуковой толщиномер вне зависимости от его стоимости является измерительным прибором и обязан в пределах заявленной погрешности правильно измерять толщину. Причем в любых условиях, а не в лаборатории на шлифованных плоских образцах. В ином случае это не измерительный прибор, а некое индикаторное устройство, немереное количество которых по-прежнему любезно предлагается на российском рынке измерительной аппаратуры, и столько же находится в эксплуатации, и которые при контроле многих объектов просто не могут ничего измерить вследствие низкой чувствительности, что делает ультразвуковую толщинометрию по сути дела бесполезным занятием. Очевидно, что массовое использование подобных индикаторов обуславливает соответствующее качество ультразвукового контроля, а, следовательно, и соответствующее состояние подлежащего контролю оборудования.

Мы же придерживаемся следующей идеологии – ультразвуковой контроль изношенного и, особенно, сильно корродированного оборудования приборами низкой чувствительности, как ультразвуковыми, так и ЭМА толщиномерами недопустим, т.к. это не только требует неоправданно больших трудозатрат по подготовке изделия, но и зачастую является прямым путем к авариям. Ведь фактически это то же самое, что доверить обследование объекта полуслепому человеку, предварительно отобрав у него очки.

Поэтому мы делаем все возможное, чтобы улучшить положение в соответствующих отраслях промышленности, совершенствуя наши приборы. В результате этой деятельности кроме значительного повышения достоверности результатов измерения в толщиномерах серии ТАУ нового поколения, которые теперь способны достаточно точно измерять остаточную толщину изделий при практически любой степени коррозии с обеих сторон, толщину или диаметр гладких изделий с радиусом кривизны менее 3-х миллиметров, а также выявлять любые дефекты изделия площадью более 1 мм2, в наши приборы введен ряд усовершенствований по отношению к предыдущему поколению, в том числе автоотключение зарядного устройства при полной зарядке аккумуляторов, гарантированная возможность эксплуатации приборов с питанием от незаряжаемых батарей с напряжением 1,5 В, сохранение последнего результата в памяти прибора при его выключении в течение 8-ми часов, т.е. в течение всего рабочего дня, а также повышена чувствительность на малых толщинах при одновременном снижении чувствительности к помехам. Теперь толщиномеры серии ТАУ гарантированно измеряют толщины стальных изделий от 1 мм, но также с относительно высокой вероятностью позволяют получить результат при измерении толщин и от 0,5 мм на рабочей частоте 5 МГц, что может способствовать некоторому повышению безопасности при эксплуатации объектов, подвергшихся обследованию с помощью ультразвука. Кроме этого приборы стали проще в работе, т.к. за ненадобностью ликвидирована ручная регулировка чувствительности, а для защиты от случайного нарушения настройки измерительной характеристики применен усовершенствованный алгоритм осуществления калибровки. Вдобавок значительно возросла экономичность, при этом ресурс работоспособности толщиномеров нового поколения от полностью заряженных аккумуляторов емкостью 2А/ч при непрерывной эксплуатации в течение рабочего дня превышает 1 месяц. Это стало возможным, в частности, вследствие использования великолепных контроллеров производства фирмы ATMEL, а также применения наиболее прогрессивных разработанных нами технических решений. Кроме этого, в толщиномерах ТАУ нового поколения будут использоваться другие, более надежные и дешевые, импортные разъемы вместо отечественных типа РШ – РГ, цена которых растет даже быстрее, чем ухудшается их качество. Следует отметить, что если толщиномеры ТАУ предыдущего поколения были практически непригодны для контроля алюминия, то новые приборы измеряют толщину алюминиевых изделий не хуже, нежели стальных. А это означает, что толщиномеры ТАУ теперь могут эффективно использоваться для неразрушающего контроля в авиации.

И при всем этом мы считаем недопустимым существенное увеличение цены на нашу продукцию, поскольку это могло бы привести к использованию дефектоскопистами продукции других производителей, не соответствующей ни современному уровню развития науки и техники, ни современным возможностям ультразвукового контроля.

21.03.2014.