Способ дефектоскопии и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к технике ультразвукового контроля и криоэлектронике и может быть использовано для контроля различных заготовок и изделий, в частности криогенных и сверхпроводящих устройств. а также в системах диагностики АЭ и АИ. Цель изобретения повышение чувствительности способа контроля и возможность визуального осмотра поверхности контролируемого изделия достигается за счет расположения между промежуточным слоем и контактной жидкостью дополнительного активного слоя, выполненного из проводиника или полупроводника в электрическом поле при температурах сверхпроводимости и устройства, содержащего пьезоэлектрический преобразователь, призму, световод, протектор с возможностью осмотра поверхности контролируемого объекта одновременно с ультразвуковой дефектоскопией с помощью линзы из криопродукта, между которой и протектором расположен активный слой, усиливающий акустический сигнал как в прямом, так и обратном направлениях. 5 ил. 1Л С

СОЮЗ СОВЕ TCКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 N 29/04

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4858122/28 (22) 17.05.90 (46) 23.12,92, Бюл. N. 47 (75) А. С, Лещенко (56) Патент Японии по заявке % 55017, кл, G

01 N 29/04.

Патент ЕП В (Е Г) по заявке 139967А2, кл.

G 01 N 20/04, G 07 В 41/24, Грешников B. АДробот В. Б. Акустическая эмиссия. Стандарт, М.: 1976, с. 94 — 96, 96 — 107, Маленькая энциклопедия, Ультразвук.

Сов. Энц., 1979, с. 262, (54) СПОСОБ ДЕФЕКТОСКОПИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к технике ультразвукового контроля и криоэлектронике и может быть использовано для контроля различных заготовок и изделий, в частности криогенных и сверхпроводящих устройств, Изобретение относится к технике ультразвукового контроля и криоэлектронике и может быть использовано для контроля различных установок и изделий, в частности, криогенных и сверхпроводящих устройств, а также в пьезоакустических фильтрах различных электронных устройств, например, устройствах связи, в системах диагностики

АИ иАЭ ит,д, Целью изобретения является повышение чувствительности способа контроля, Дополнительной целью изобретения является возможность визуального осмотра поверхности контролируемого изделия при повышении чувствительности устройства контроля.

Известен способ контроля с одновременным использованием светового и ульт,... Ы„„1783413 А1 а также в системах диагностики АЭ и АИ.

Цель изобретения повышение чувствительности способа контроля и возможность визуального осмотра поверхности контролируемого изделия достигается за счет расположения между промежуточным слоем и контактной жидкостью дополнительного активного слоя, выполненного из проводиника или полупроводника в электрическом поле при температурах csepxnpoводимости и устройства, содержащего пьезоэлектрический преобразователь, призму. световод, протектор с возможностью осмотра поверхности контролируемого объекта одновременно с ультразвуковой дефектоскопией с помощью линзы из криопродукта; между которой и протектором расположен активный слой, усиливающий акустический сигнал как в прямом, так и обратном направлениях. 5 ил. развукового лучей. Световой луч служит для определения качества контакта при контроле деталей ультразвуковым контактным способом, При отсутствии или нарушении прилегания прозрачного соединителя к объекту контроля луч света не попадает íà светочувствительный приемник, и система контроля включает сигнализацию отсутствия ультразвукового контакта с объектом контроля, Световое излучение не используют для контроля объекта, что яэляется недостатком способа, В качестве прототипа используют clloсоб контроля с применением по меньшей мере двух лучей различного вида или частоты, одновременно или последовательно фокусируются нэ объекте и для сканирования перемещаются только источники излучения

1783413

30

55 одного вида излучения. Световой луч может контролировать объект как с противоположной, относительно акустического луча, так и с одной и той же стороны объекта, а так же во взаимно перпендикулярных направлениях, Способ не позволяет контролировать большие объекты типа труб нефтяного сортамента, вследствие малой чувствительности способа, пригодной только для небольших объектов, Наиболее распространенные пьезоэлектрические преобразователи имеют существенные недостатки при преобразовании колебаний в электрические сигналы, компенсировать которые можно при использовании оптических методов и средств измерения АЗ однако при малых перемещениях АЗ (10 — 10 м) эти перемещения много меньше длин световых волн и чувствительностью традиционной интерферометрии не обеспечивают информативность и надежность контроля.

Поставленную цель можно достичь за счет повышения чувствительности способа контроля и применением пассивных и активных интерферометров и когерентного лазерного излучения, путем повышения чувствительности датчиков.

Сущность изобретения заключается в следующем. Полупроводник помещенный в электрической поле меняет знак поглощения ультразвука на отрицательный. Тоже самое происходит с полупроводником при его охлаждении до криогенных температур, сопровождающих возникновение сверхпроводимости.

Аналогичное явление происходит с металлами, т.е. с проводниками электричества.

При таких условиях поглощение звука переходит в его усиление.

Взаимодействие ультразвука с носителями тока приводит к появлению отрицательного поглощения звука, т,е, к усилению ультразвука, согласно законам нелинейной физики.

Для обеспечения усиления звука в акустическом тракте создают активный слой перед пьезоэлектрическим преобразователем на вышеуказанных принципах.

Взаимодействие ультразвукового и электрического полей, приводит к усилению звука в активном слое, При введении дополнительного протектора, имеющего криогенную температуру, .достигается криостатирование активного слоя, т.е, управление его температурой для обеспечения сверхпроводимости (необходимой для предварительного усиления звука в активном слое) эа счет стабилизации температуры сверхпроводимости, Осуществление акустического контакта пьезопреобразователя с объектом контроля и сохранения дополнительного протектора осуществляют с помощью криожидкостей.

Кроме того, охлаждающая протектор контактная жидкость играет роль жидкой линзы не только для ультразвука, но и для световой энергии (подаваемой через эту же линзу на контролируемый объект по сеего-. водам).

При этом прослойка контактной жидкости выполняет роль коллектива линз и играет роль многолинзового объектива для ультразвукового контроля и для светового и лазерного пучков, совместно с твердым криопродуктом дополнительного протектора.

Чтобы избежать белого фона засветки от дневного света и их помех при пользовании световодами для осмотра объекта, торцовые поверхности световодов покрывают слоем пленки окситетратитана (или окситетрасилана) равной 1/4 длины волны всего диапазона видимого спектра в сумме.

Если. менять полярность и величину электрического поля в активном слое, то получают возможность управлять его интенсивность, а также использовать активный слой в качестве затвора для акустических лучей и даже в качестве акустического модулятора (наподобии ячейки Корра для.оптических лучей). задерживая импульс звука при закрыти, накладывая на него следующий проходящий акустический импульс и открывая активный слой после наложения и модуляции импульсов, Применяемые в способе контроля световоды используют Для двойного применения: во-первых, для визуального осмотра, а во-вторых, для лазерного возбуждения акустических волн, Повышение чувствительности способа и усиление сигнала в акустическом тракте позволяет избавиться от шумов и помех электронной аппаратуры при усилении сигнала в электронном тракте;

Усиление в активном слое и стабилизация температуры Кюри позволяет компенсировать поглощение ультразвука в контролируемых объектах и позволяет изготавливать пьезокерамику для более узкого спектра температур. Такая стабилизация температуры Кюри достигается за счет постоянства температур используемых криопродукто в.

Фокусировка лучей, т.е. управление лучами (световыми и ультразвуковыми) достигается с помощью объектива иэ жидкой линзы-криожидкости и твердого криопро1783413

30

55 дукта (доп.протектора). Жидкая линза дополнительно криостатирует твердый криопродукт (доп.протектор) и обеспечивает акустический контакт с объектом за счет смачивания.

На фиг. 1 показано устройство датчика с пьезоэлектрическим преобразователем (ПЭП) и световодами, активным слоем из сверхпроводящего материала, дополнительным протектором (криопротектором) из твердого криопродукта и оптическим окном в непрозрачном активном слое (сверхпроводнике). на фиг. 2 — тоже устройство с оптическими волноводами (световодами) и

ПЭП и активным слоем из прозрачного полупроводника в электрическом поле, охлаждаемом жидкими криопродуктами, являющимися одновременно и контактными жидкостями ультразвукового контроля; на фиг. 3 и фиг. 4 — схема объектива — оптического устройства из твердых и жидких оптических элементов с различными показателями преломления, которые одновременно используются для оптического диапазона (ИК-излучения и видимый свет) и для ультразвука, расположен н ых на внутренней или наружной поверхности трубы. на фиг, 5 — схема прохождения звуковых сигналов и их усиление в активном слое в прямом и обратном направлениях.

Показанные устройства датчиков, приведенные на фиг, 1-4 состоят из призмы — 1 с пьезоэлектрическим преобразователем (ПЭП)-2, в котором установлены трубка подвода 3 рабочей криожидкости 4 (жидкого азота или жидкого гелия) для обеспечения акустического контакта между датчиком и . контролируемым изделием 5. Кроме э ого в призме 1 установлены световоды направление расположения лучей которых пересекаются в одной точке с ультразвуковыми лучами, причем один иэ световодов освещающий, другой принимающий. На пути распространения световых и ультразвуковых лучей установлен активный слой из сверхпроводника 7 с оптическим прозрачным окном 8 (которое может быть выполнено в виде обычного отверстия в полупроводнике), прохождение электрического тока через который осуществляют с помощью электродов 9, на которые подается для этого напряжение). Для криостатировэния активного слоя из сверхпроводника 7 служит дополнительный протектор 10 из твердого криопродукта (твердая углекислота или твердый азот). Если дополнител ьн ый п ротектор 10 иэ твердой углекислоты, то жидкость 4 из жидкого азота, если дополнительный протектор

10 иэ твердого азота, то жидкость 4 из жидкого аргона (водорода, гелия) и т.д, Активный слой может быть выполнен и из полупроводника 11 (фиг, 2) прозрачного еще для светового излучения (германий для

ИК-излучения). Торцы световодов 6 (фиг. 1 и фиг, 2) или прозрачный активный протектор

11 покрывают для защиты (от засветки) от белого фона на изображении пленкой изтетраоксититана (тетраоксисилан) толщиной 1/4 от длины волны фона засветки.

На фиг. 3 показана установка датчика с активным слоем на контролируемую трубу изнутри, а на фиг. 4 — снаружи на трубу, и где криожидкость имеет форму линз (выпуклой или вогнутой формы), которая является оптическим элементом одновременно и для оптического йэлучеййя и для ультразвукового, Оптическая система для световодов (видимого света или ИК-излучения) и ультразвукового контроля. т. к. материалы с различным показателем преломления работают как оптические элементй; т .е . налицо коллектив оптическйх"элементов или объектив,1де линза одна >KMpKBsl йз крйожидкости

4, а остальные твердые элементы с различными показателями преломления, которые воздействуют на пучки ультразвука, вйдимого света, инфракрасного излучения (ИК), управляя ими (последними) таким образом.

Сферическую поверхность жидкой линзы образует поверхность контролируемой трубы;

На фиг. 5 показана схема усиления лучей ультразвука в процессе дефектоскопии, где лучи ультразвука излучаемого пьеэопреобразователем 2 в прямом направлении 14 проходят через йриэму 1 из фторопласта попадают в активный слой 12, усиливаются и направляются в сторону дефекта 13, часть лучей проходит мимо дефекта, часть отражается от него и проходит в обратном направлении 15, попадают в активный слой 12, усиливаются в нем и через йризму 1 йопадают на и ьезоп реобрэзователь 2 совмещенного типа. Далее сигнал подается традиционным путем в обычную серийную дефектоскопическую аппаратуру, например

УД2-12 (yn ьтразвуковой дефектоскоп), Жидкий газ подается в трубку 3 из балона с жидким газом, например прап-бутан жидкий азот, аргон, жидкая углекислота, гелий, водород.

Твердый азот может охлаждаться жидким азотом и за счет испарения последнего сохраняется твердый азот.

Способ осуществляется в работе устройств (датчиков) следующим образам.

По трубке 3 подают криожидкость 4 до полного заполнейия зазора междудатчиком и изделием 5.

1783413

10 как в режиме приема, так и в режиме излу- 15 чения, в этом случае световоды только для

45 ном контроле труб, криожидкость 4 50

В корпусе датчика установлена таблет,ка 10 из твердого криопродукта, которая вместе с датчиком до работы хранится в криостате.

Дополнительный протектор 10, вместе с

=криожидкостью 4 охлаждает активный слой

7 или 11(рис, 1 и фиг. 2), Активный слой 7 или 11 момещен в электрическое поле и по нему протекает ток сверхпроводимости с помощью электропроводов 9, Совмещенный ПЭП в эхо-импульсном режиме работает через доп,протектор (криопротектор) 10 и активный слой 7 (или 11) визуального осмотра глазами или оптикоэлектронными приборами, Вместо совмещенного ПЭП может быть использован и раздельно совмещенный преобразователь в качестве преобразователя 2, который может быть (как все серийные

ПЭП) как наклонным преобразователем, так и прямым, Серийные ПЭП принимают сигнал подтем же углом, под которым излучают их в объект.

При излучении пьезопреобразователем

2 ультразвука через призму 1, активный слой 7 (или 11), дополнительный протектор

10, жидкую линзу криожидкости 4 в контролируемом изделии, ультразвук усиливается в активном слое 7 (или 11). Прием ультразвука осуществляется в обратном порядке.

Усиления ул ьтразвука осуществляется в прямом, так и в обратном направлении (см. фиг. 5) через активный слой, Одновременно с ультразвуковой дефектоскопией производят осмотр поверхности контролируемого изделия 5 через световоды 6, одним из которых является освещающий, а другой принимающий.

Если активный слой прозрачен для излучения световодов 6, как германий в протекторе 11, то свет пропускают прямо через него(ИК-излучения), если активный слой непрозрачен для светового излучения, как сверхпроводник?; то в нем делают прозрачные окна 8, (или отверстия) для осмотра поверхности изделия 5. При таком комбинированосуществляет роль жидкой линзы, т.е. фокусирующего элемента сложного объектива, состоящего из множества линз, элементов и материалов с различными показателями преломления (см. фиг. 3 и фиг. 4), Усиление звука происходит в активном слое 12 к дефекту 13 как в пярмом 14, так и в обратном 15 направлениях, относительно преобразователя 2 (см, фиг, 5). Это усиление базируется на физическом эффекте отрица20

30 тельного поглощения ультразвука проходящего через полупроводник или сверхпроводник, помещенные в электрическое поле, т.е. происходитусиление звука, И хоты часть энергии ультразвука проходит мимо дефекта и только незначительная часть попадает на дефект, но за счет этого усиления (отрицательного поглощения) эта энергия все же достигает пьезопреобразователя предварительно усиленная в автивном протекторе, а, за счет охлаждения зоны изделия с помощью криожидкости, обеспечивающий акустический контакт, снижаются затухания и в самом объекте контроля.

Практическая дефектоскопия осуществляется без изменения существующих методик обнаружения дефектов, например, ЭХО-импульсным методом на дефектоскопе

УД 2-12 с помощью строб-импульса, на котором фиксируют сначала зондирующий и донный импульс, а затем производят необходимые измерения.

На активный слой из германия подают напряжение 1 ОВ и охлаждают контактной . жидкостью, например, смесью жидкого водорода или гелия (5 — 15)K . На активный слой из сверхпроводника (сплава, например, ниобий-цирконий, ниобий-титан, ниобий-олово) подают напряжение 10В и охлаждают тем же составом жидкого водорода-гелия.

Акустическая энергия, усиленная в активном слое и преобразованная ПЭП в электрические импульсы (после обработки в

УД2 — 12) выводятся на экран ЭЛТ.

С помощью оптических волноводов производят внешний осмотр объекта контроля или мощными лазерными импульсами создают акустические колебания в объекте, которые затем воспринимает ПЭП.

Чувствительность данного способа за-. висит от поглощения звука и чувствительности акустйческих датчиков, В обоих случаях эти факторы учитываются с положительным эффектом. Поглощение — вследствие охлаждения криогенной контактной жидкостью снижается, а чувствительность датчиков— вследствие работы активного слоя возрастает.

Фиксация результатов оптического контроля осуществляется с помощью кино-фото-видео аппаратуры и др. приборами, а так же датчиками видеоизображения. Способ и датчики применим и для систем диагности ки, например с помощью АЭ и АИ, Формула изобретения

1. Способ дефектоскопии, заключающийся в том, что в контролируемый объект одновременно или последовательно через твердый промежуточный слой и контактную жидкость вводят оптическое и акустическое

1783413

10 излучения, принимают, отраженные от поверхностных дефектов оптические сигналы и от внутренних дефектов акустические сигналы, измеряют их параметры и по ним судят о качестве объекта, о т л и ч а ю щ и й- с 5 я тем, что, с целью повышения чувствитель ности, между промежуточным слоем и контактной жидкостью располагают дополнительный активный слой, 10

2. Способ по и. 1, отличающийся тем, что дополнительный активный. слой выполнен из проводника или полупроводника и на него воздействуют электрическим полем заданной величины.. 15

3. Способ поп.1,отл ич а ю щи йс я тем, что дополнительный слой выполняют из проводника или полупроводника и охлаждают до температуры, обеспечивающей его сверхпроводимость.

4. Способ по и. 3. отличающийся тем, что в качестве контактной жидкости использован криопродукт в жидкой фазе.

5. Устройство для дефектоскопии, содержащее пьезоэлектрический преобразователь, призму, световод, протектор, о т л ич э ю щ е е с я тем, что, с целью визуального осмотра поверхности контролируемого изделия и повышения чувствительности, оно снабжено дополнительным световодом и установленным между призмой и протектором активным слоем, линзой из криопродукта в жидкой фазе, расположенной между протектором и поверхностью исследуемого объекта в специальной оболочке, протектор выполнен из криопродукта в твердой фазе.

1783413

1783413

Составитель А. Лещенко

Техред М.Моргентал Корректор С Ю

Редактор

Производственно-изда гельский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина; 101

Заказ 4511 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР .113035, Москва, Ж 35, Раушская наб„4/5