А1208 - простой и сложный ультразвуковой толщиномер

А1208 - простой и сложный ультразвуковой толщиномер

Введение

В середине 2002 года нашей фирмой был разработан и стал предлагаться потребителям ультразвуковой (УЗ) толщиномер с обозначением А1208 (рис.1). Естественный вопрос - зачем нужен еще один тип толщиномера, когда уже выпускаются малогабаритный А1207 [1] и универсальный А1209? И чем он принципиально отличается от них и от других УЗ толщиномеров [2], производимых прочими фирмами? Главную отличительную особенность А1208 можно сформулировать следующим образом:

ОДИН "ВЕЧНЫЙ" СОВМЕЩЕННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НА ВЕСЬ ДИАПАЗОН ТОЛЩИН ОТ 0,8 ДО 300 ММ

Наряду с этим А1208 обеспечивает работу при отрицательных температурах до -30°С, простоту выполнения и высокую точность измерений, имеет малый вес, защищенное от воды и пыли конструктивное исполнение, продуманную эргономику и весьма доступную цену.

В данной статье мы попытаемся рассказать об особенностях построения этого прибора и о том, что все эти особенности дают людям, использующим ультразвуковые толщиномеры в самых разнообразных условиях от заполярья до экватора.

Предпосылки

Большинство современных УЗ толщиномеров построено на использовании раздельно-совмещенных (РС) пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП) и эхо импульсном методе. При всех своих достоинствах они имеют ряд общих недостатков, обусловленных конструкцией самого преобразователя. Наиболее существенным из них является малый срок службы преобразователей. Для иллюстрации на рис. 2 приведена фотография РС ПЭП после его эксплуатации в реальных условиях. Разрушения кромок призм и повреждение акустического экрана делают преобразователь непригодным для дальнейшей эксплуатации. Данное свойство относится к любым РС ПЭП различных производителей и принципиально обусловлено их конструкцией.

Фактически РС ПЭП считается расходным материалом. Если электронный блок толщиномера может безотказно работать многие годы, то РС ПЭП изнашивается через несколько месяцев, а то и через несколько недель интенсивной работы.

Другие недостатки РС ПЭП состоят в нелинейной зависимости времени прихода эхо импульса от толщины, ограниченности диапазона толщин, перекрываемых ПЭП одного типа, в отсутствии осевой симметрии диаграммы направленности [3]. Все это приводит как к удорожанию собственно прибора, так и к увеличению затрат при эксплуатации.

Альтернативой РС ПЭП являются прямые совмещенные (ПС) ПЭП. Существуют ПС ПЭП без линии задержки и с линией задержки. Первые имеют ограничения по минимальной измеряемой толщине (не работают с толщинами менее 3 - 4 мм), а вторые - по максимальной [4 - 9]. Соответствующие приборы выпускаются рядом фирм, но они не нашли массового применения и используются для решения ограниченного круга задач.

Основные требования к УЗ толщиномерам широкого применения

Результаты многочисленных бесед со специалистами о том, как они видят идеальный универсальный УЗ толщиномер, можно выразить в следующей фразе: УЗ толщиномер должен быть дешевым, простым, точным и иметь "вечный" преобразователь.

Под словом "вечный" естественно понимается, что срок жизни любого ПЭП конечный, но он должен быть соизмерим со сроком жизни электронного блока толщиномера или хотя бы иметь гарантийный период не менее года. Кроме того, толщиномер должен работать при низких температурах (до -30°С и ниже), что связано со спецификой российского климата. Диапазон измеряемых толщин желателен от 0,8 до 300 мм и более (по стали). Конструктивное исполнение для приборов подобного класса должно соответствовать требованиям IP65. Питание, естественно, автономное, а вес и размеры минимальны.

Для перекрытия диапазона толщин от 0,8 до 300 мм большинству известных УЗ толщиномеров требуется два - три преобразователя, каждый из которых хорошо работает только в одном из поддиапазонов толщин. В реальных условиях часто бывает необходимо измерить силовую конструкцию толщиной более 200 мм и тут же стенку трубы толщиной 1 мм. Или, в принципе, может быть неизвестна ориентировочная толщина конструкции. При этом пользователю в процессе работы очень неудобно менять преобразователи и производить перенастройку прибора или подстройку чувствительности. Кроме того, любая регулировка в процессе измерения ведёт к повышению вероятности возникновения ошибки за счет субъективности человека.

Поэтому во всех наших приборах мы реализуем следующие принципы - один преобразователь на весь диапазон толщин и отсутствие подстроек в процессе измерений. Процедура измерения должна сводиться к минимальным действиям, которые можно сформулировать так: включил, прислонил, получил результат. При этом качество поверхности объектов контроля (ОК) может быть любым - от плоской и полированной до криволинейной корродированной.

По поводу памяти данных, встроенной в толщиномер. Практически все современные толщиномеры построены с использованием микропроцессоров. Это автоматически предоставляет возможность сохранения результатов измерений и передачи их во внешний компьютер. Нет технических проблем сделать любой из наших толщиномеров с памятью. Но нужно ли это делать во всех приборах? Конечно, нет. По опросам потребителей большинство из них не нуждаются в данной функции. Кроме того, толщиномеры с памятью получаются более дорогие за счет средств сопряжения с внешним компьютером. Поэтому при создании А1208 мы не ввели эту функцию в базовый набор. Ряд особенностей работы толщиномеров с памятью будет рассмотрен ниже.

Пути решения проблемы

Как было отмечено выше, совмещенные ПЭП без линии задержки не имеют проблем с износом рабочей поверхности. Если протектор подобного преобразователя сделан из минералокерамики, то срок его эксплуатации может составить многие годы. С точки зрения толщинометрии, использование совмещенных преобразователей в эхо импульсных УЗ толщиномерах имеет ряд дополнительных преимуществ по сравнению с РС ПЭП:

• линейная зависимость времени задержки эхо-сигналов от толщины;
• более равномерная зависимость амплитуды эхо-сигналов от толщины изделий;
• лучшая чувствительность в дальней зоне;
• большая протяжённость ближней зоны акустического поля;
• осевая симметрия диаграммы направленности.

Однако главный недостаток ПС ПЭП - наличие мертвой зоны из-за собственных реверберационных колебаний ПЭП после зондирующего сигнала.

На рис. 3 приведены соответствующие примеры эхо сигналов, полученные экспериментально с использованием сильнодемпфированного ПС ПЭП типа CF0503HR производства компании "Valpey Fisher", США. Для случая пластины из стали толщиной 6 мм (рис. 3а) первый донный эхо сигнал однозначно выделяется, а при толщине пластины 1,45 мм выделить и разделить первый или второй эхо сигналы практически невозможно.

Однако, глядя на рис. 3б, можно заметить, что после окончания собственного реверберационного шума (РШ) ПЭП имеется достаточно протяженный во времени осциллирующий сигнал. Он образуется за счет многократных переотражений эхо сигналов от поверхностей контролируемого объекта. Длительность этого сигнала многократных отражений значительно превышает длительность РШ (Рис 2б).

Очевидно, что сигнал многократных отражений содержит в себе информацию о толщине объекта, но для ее достоверного выделения необходим специальный алгоритм. Авторами были проведены теоретические и экспериментальные исследования, в результате которых был найден способ выделения информации о толщине конструкции из сигнала многократных отражений. Так как этот способ основан на вычислении корреляционных функций, то он получил название корреляционного способа измерений толщины (КСИ). Математические и физические аспекты предложенного способа докладывались нами на различных конференциях [10 - 13].

Практический эффект от применения КСИ состоит в том, что в сочетании с классическими алгоритмами стало возможным с помощью одного ПС ПЭП измерять толщины от 0,5 до 500 мм и более. При этом поверхность ОК может быть как корродированной и криволинейной, так и полированной плоской - на стабильность и точность измерений это практически не влияет. Причем, для достоверных измерений достаточно обеспечить пятно акустического контакта между ОК и произвольной областью рабочей поверхности ПС ПЭП площадью порядка 5-10 мм2. Для толщиномеров с РС ПЭП такой площади акустического контакта, как правило, не хватает.

Преобразователь

Важным элементом решения поставленной задачи является совмещенный преобразователь. Для достижения наилучших характеристик по чувствительности и диапазону контроля он должен иметь быстрозатухающий РШ и обеспечивать в приемопередающем режиме короткий донный эхо сигнал, превышающий уровень помех. Рабочая частота преобразователя может находиться в диапазоне от 2 до 10 МГц.

На этапе экспериментальных исследований использовался вышеупомянутый покупной преобразователь производства компании "Valpey Fisher", который в основном удовлетворяет вышеизложенным требованиям. Однако, при серийном выпуске приборов нельзя рассчитывать на импортный ПЭП, так как его цена в России составляет 400 - 500 долларов, что соизмеримо со стоимостью самого толщиномера и неприемлемо для потребителей. Кроме того, как показали экспериментальные испытания, этот ПЭП теряет свои положительные качества при температурах ниже -5°C.

Поэтому в нашей фирме был разработан широкополосный малошумящий преобразователь, получивший индекс S3370, который имеет требуемые характеристики во всем диапазоне температур и рассчитан специально для работы в составе УЗ толщиномера с использованием корреляционной обработки сигналов. Центральная частота его спектра около 3 МГц, а полоса пропускания (в совмещённом режиме) приблизительно от 2,5 до 5 МГц. Внешний вид S3370 показан на рис. 4, а для сравнения с западным аналогом на рис. 5 приведен эхо сигнал, полученный с его помощью на стальной пластине толщиной 6 мм.

Электроника

Вычисление корреляционной функции, что является основой КСИ, может быть реализовано вычислительным путем либо с помощью БПФ, либо через операцию свертки. Эти процедуры требуют значительных вычислительных мощностей, которые не присущи классическим толщиномерам. Поэтому, для реализации найденных алгоритмических и аппаратных решений был специально разработан электронный тракт толщиномера А1208. Он построен с применением 16-ти разрядного микропроцессора Mitsubishi и мощной программируемой логической матрицы фирмы Xilinx для реализации быстродействующего вычислителя АКФ.

Как и все УЗ приборы нашей фирмы, А1208 выполнен по идеологии "полного цифрового тракта". Это означает, что после возбуждения ПЭП, приема и усиления эхо сигналов, производится их оцифровка, и все дальнейшие преобразования и обработка данных осуществляются в цифровом виде. Этот подход обеспечивает абсолютную стабильность и воспроизводимость работы прибора, простоту регулировки, низкую стоимость в производстве и высокую надежность при эксплуатации.

С целью расширения функциональных возможностей прибора он имеет два режима работы: с совмещенным и РС ПЭП. Основным является режим с совмещенным преобразователем, входящим в базовый комплект поставки прибора. Вспомогательным - режим с РС ПЭП, который может использоваться для решения некоторых дефектоскопических задач на базе толщиномера, например, поиск мест язвенной коррозии с помощью РС ПЭП на 10 МГц. При этом для РС ПЭП используется V-коррекция с целью минимизации погрешности измерений. Для каждого типа тракта используется отдельный генератор возбуждающих импульсов.

Требование устойчивой работы при отрицательных температурах привело к выбору в качестве индикатора светодиодного семисегментного дисплея как наиболее морозоустойчивого. Следует сразу отметить, что современные светодиоды имеют очень большую яркость и обеспечивают возможность чтения показаний при ярком солнечном свете. При этом потребление тока у них приемлемое. При испытаниях электронный модуль прибора спокойно и устойчиво работал при температурах ниже -40°С. Потребляемый прибором ток (от двух 1,5 В элементов) зависит от количества горящих сегментов и установленной яркости и может быть в диапазоне от 30 до 80 мА.

Отдельный вопрос - элементы питания. Как показали испытания, не каждый тип элементов питания может работать при температуре ниже -30°С. Подобную температуру способны выдерживать никель-кадмиевые и никель-металлогидридные аккумуляторы, а так же профессиональные литиевые батареи. При этом у аккумуляторов емкость падает в несколько раз. Обычные одноразовые элементы питания, имеющиеся в широкой продаже, прекращают работать при температурах ниже -10°С. В базовой комплектации А1208 поставляются с литиевыми элементами питания марки Lithium Energizer L-91, которые по паспортным данным работоспособны до минус 40°С. Их конструктивный типоразмер - АА, рабочее напряжение, обеспечиваемое одним элементом 1,5 В, а емкость 2,5 АЧч. Дополнительным преимуществом литиевых элементов является большой срок хранения - 10 лет без потери емкости и протеканий, что позволяет пользователям закупить их крупной партией и не беспокоиться об их сохранности. Питание прибора осуществляется от двух элементов типоразмера АА. Одного комплекта литиевых элементов при среднестатистическом потреблении хватает не менее чем на 60 часов непрерывной работы прибора, что эквивалентно более чем месячной полноценной работе прибора.

Технологии

Все электронные компоненты прибора удалось поместить в малогабаритный корпус за счет использования технологии поверхностного монтажа и четырехслойной печатной платы. Корпус выполнен из ударопрочного пластика. Фотография печатной платы толщиномера с установленными электронными компонентами приведена на рис. 6.

Специальные конструктивные решения (пленочная клавиатура, герметизирующие прокладки стыков, защищенные разъемы, отсутствие лишних отверстий и т.п.) обеспечивают защиту внутренностей прибора от попадания пыли и воды по IP65. Это означает, что если случайно уронить серийный толщиномер в лужу или в песок, то с ним ничего не случится - просто надо его отряхнуть и продолжать работу. Исходя из требований конструкционной защиты, батарейный отсек запирается винтом.

Использование компонентов поверхностного монтажа повышает надежность прибора. Сами комплектующие приобретаются нашей фирмой только у поставщиков, проверенных многими годами сотрудничества. Например, в наших изделиях используются разъемы для кабелей и преобразователей только производства швейцарской компании LEMO, хотя стоят они в несколько раз дороже, чем подобные разъемы, купленные на радиорынке. Повышенная цена качественных комплектующих окупается надежностью в работе. Дополнительно для повышения надежности и минимизации отказов при производстве приборов нами используются электропроверка печатной платы, термотренировка (рис. 7) и другие технологические приемы.

Интерфейс

Важной частью каждого прибора является его интерфейс с оператором. Под этим понимается совокупность процедур и средств взаимодействия человека с прибором. В интерфейс входят клавиатура, индикатор, программное и методическое обеспечение приборов. Прибор должен быть удобен для работы, а его показания и сообщения просты и интуитивно понятны. Идеальный интерфейс - это когда человек берет незнакомый прибор и по внешнему виду, надписям, картинкам, пиктограммам сразу, без инструкции правильно понимает, что прибор показывает и как с ним следует работать. Идеального ничего не бывает, и мы рекомендуем всегда читать и изучать руководства эксплуатации приборов, но при разработке к идеальному решению всегда надо стремиться.

Пленочная пятиклавишная клавиатура прибора А1208 аналогична клавиатуре толщиномера А1209, который имеет много функций, в том числе работы с памятью. Удобство и простота работы с А1209 подтверждена многолетней практикой и отзывами потребителей. Казалось бы, следовало сделать аналогичный интерфейс и в новом приборе. Почему же в А1208 мы сделали новый интерфейс? Ограничивающим фактором стал семисегментный светодиодный индикатор в А1208, в отличие от жидкокристаллического графического индикатора в А1209. Пять знакомест при семи сегментах в одном знакоместе - явно недостаточно, чтобы отобразить сложные фразы или хотя бы понятные комментарии и пиктограммы. Путь изобретения семисегментных иероглифов, которые ни с чем не ассоциируются и понимаются только с инструкцией в руках, мы считаем неприемлемым с точки зрения потребителей.

Исходя из этого, для А1208 был разработан специальный интерфейс в котором исключены определенные функции, имеющиеся в А1209 (например работа с памятью). Зато меню прибора состоит из понятных и запоминающихся слов и символов, которые удалось подобрать и отобразить на дисплее прибора. При этом набор функций прибора достаточно богатый. Кратко перечислим основные из них:

• оперативный выбор скорости УЗ из четырех предустановленных значений;
• установка значения скорости с шагом в 1 м/с;
• библиотека из пяти конфигураций для различных типов ПЭП
• полуавтоматическая адаптация к новому преобразователю;
• функция поиска минимума толщины;
• функция измерения скорости при известной толщине образца;
• установка верхнего и нижнего допустимых пределов измерений;
• индикация акустического контакта;
• регулировка яркости свечения индикатора;
• управление звуковым сопровождением;
• контроль разряда элементов питания.

Помимо этого, А1208 может использоваться как цифровой осциллограф: при использовании специальных программ на персональном компьютере можно наблюдать и обрабатывать эхо сигналы.

В связи с тем, что за пределами России проявляется регулярный интерес к нашей продукции и она поставляется не только в русскоговорящие регионы, интерфейс А1208 выполнен в интернациональном стиле. В нём использованы пиктограммы на клавишах и англоязычное меню, понятные любому грамотному человеку в России.

Практические результаты

В результате проведенных научных, инженерных и технологических работ был разработан и в настоящее время серийно выпускается ультразвуковой толщиномер широкого применения А1208. Он совместим с различными типами ПЭП работающими на частотах от 2 до 10 МГц. При использовании прямого совмещенного износоустойчивого ПЭП S3370 обеспечивается измерение толщины в диапазоне от 0,8 до 300 мм с высокой точностью: погрешность измерений не хуже 0,1% от измеряемой величины, дискретность отсчётов при толщинах до 10 мм - 0,01 мм, при толщинах более 10 мм - 0,1 мм. Причем показания прибора устойчивы во всем диапазоне толщин при любом разумном качестве поверхности. Гарантийный срок работы преобразователя S3370, входящего в базовый комплект, составляет 1 год. Прибор устойчиво работает в диапазоне температур от -30°С до +50°С. Масса электронного блока 155 г.

На рис. 8 приведены фотографии, иллюстрирующие широкие толщинометрические возможности прибора. Процедура измерений не требует никаких оперативных подстроек. Достаточно нанести смазку на объект, установить ПЭП на поверхность и после появления символа акустического контакта можно считывать показания. Частота повторения измерений порядка 4 Гц в обычном режиме и около 20 Гц в режиме поиска минимума.

Все параметры А1208 подтверждены испытаниями, на основании которых он получил сертификат Госстандарта РФ и был внесен в Государственный реестр средств измерений.

Заключение

Представленный УЗ толщиномер А1208 при внешней скромности и простоте применения обеспечивает высокие метрологические и потребительски свойства, что достигнуто за счет комплексного подхода к методологии и физике контроля, математическому аппарату и использованию самых современных средств вычислительной техники и электронных компонентов. Хочется надеяться, что в ближайшее время в России появятся и другие приборы, которые позволят вывести на новый уровень технологию НК.

Литература

• Самокрутов А.А., Шевалдыкин В. Г., Козлов В. Н, Алёхин С.Г., Мелешко И.А., Пастушков П.С. А1207 - Ультразвуковой толщиномер нового поколения. - В мире НК, 2001, N 2 (12), с. 23-24.
• Клюев В.В.,. Ковалев А.В., Самокрутов А.А.. Рынок средств УЗК - современное состояние. - В мире НК, 2001, N 1 (11), с. 34-39.
• Калинин В.А., Тарасенко В.Л. Составляющие погрешности измерения ультразвуковыми толщиномерами с двухэлементными раздельно-совмещенными пьезоэлектрическими преобразователями. - Дефектоскопия, 1988, N 10, с. 22-31.
• Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник; Под ред. В.В. Клюева. -М.: Машиностроение, 1995. -488 с., ил.
• Ермолов И.Н.. Теория и практика ультразвукового контроля. - М.: Машиностроение, 1981.-240 с.
• Ультразвуковой контроль материалов: Справ. изд. Й. Крауткремер, Г. Крауткремер; пер. с нем. - М.: Металлургия, 1991, 752 с.
• ГОСТ 28702-90 Контроль неразрушающий. Толщиномеры ультразвуковые. Общие технические требования.
• Albert S. Birks, Robert E. Green, Jr., Paul McIntire, Nondestructive testing handbook, second editions; v.7: Ultrasonic Testing, ASNT. [book]
• Fowler, K A; Elfbaum, G M; Smith, K A and Nelligan, T J, Theory and application of precision ultrasonic thickness gaging , Insight 38 582 - 587 (1996).
• Козлов В. Н., Самокрутов А. А., Шевалдыкин В. Г. Разработка толщиномеров широкого применения с совмещенными ультразвуковыми преобразователями. // Тез. докл. 3-я междунар. конф. "Диагностика трубопроводов". - М.: 2001. - С. 154.
• Козлов В. Н. Пути повышения точности и достоверности измерений при УЗ толщинометрии металлических конструкций эхо-импульсным методом. // Тез. докл. 3-я междунар. конф. "Диагностика трубопроводов". - М.: 2001. - С. 153.
• Samokrutov A. A., Kozlov V. N., Shevaldykin V. G. New approaches and hardware means of ultrasonic thickness measurement with the usage of one-element single probes. 8th European conference on Non-Destructive Testing, Barcelona, 17 - 21 June, 2002.
• Козлов В. Н., Самокрутов А. А., Шевалдыкин В. Г. Применение корреляционных методов обработки сигналов в эхо-импульсных ультразвуковых толщиномерах. 16 Российская научно-техническая конференция "Неразрушающий контроль и диагностика". Санкт-Петербург, 9 - 12 сентября, 2002.