Defektoskopia ultradźwiękowa

Pojęcie fali

Fala mechaniczna (sprężysta) to zaburzenie rozchodzące się w ośrodku sprężystym, które przenosi energię bez przenoszenia masy. Polega na drganiu cząsteczek wokół położenia równowagi.

http://analizaobrazu.x25.pl/articles/3

Rodzaje fal mechanicznych

fala podłużna - fala, w której drgania odbywają się w kierunku zgodnym z kierunkiem jej rozchodzenia się np. fala dźwiękowa; w fali podłużnej występuje na przemian zagęszczenie i rozrzedzenie materiału (rozchodzą się w każdym ośrodku materialnym),

fala poprzeczna – fala ścinania, w której kierunek drgań cząstek ośrodka jest prostopadły do kierunku rozchodzenia się fali np. fala elektromagnetyczna; powoduje powstanie naprężeń stycznych; rozchodzeniu się fal poprzecznych nie towarzyszą zmiany gęstości ośrodka (rozchodzą się tylko w ośrodkach stałych),

http://analizaobrazu.x25.pl/articles/3

Parametry charakteryzujące fale

Amplituda (A) – największe wychylenie z położenia równowagi,

Długość fali (λ) – odległość pomiędzy kolejnymi powtórzeniami kształtu fali,

Przesunięcie fazowe (φ) [rad],

Okres (T) – czas, w którym punkt ośrodka wykonuje jedno pełne drganie [s],

Częstotliwość (f) – ilość drgań, które wykonują punkty ośrodka w określonej jednostce czasu [Hz],

Prędkość (v): fT

v

Natężenie fali: vAI 22

2

1

Gdzie: ρ – gęstość ośrodka [kg/m3],

Parametry charakteryzujące fale

Wychylenie cząstek z położenia równowagi:

)sin( tA v

x

Gdzie: A – amplituda drgań (wychylenia) [m], ω – pulsacja (częstość kątowa) (2πf) [rad/s], t – czas [s], x – współrzędna drogi [m], v – prędkość rozchodzenia się fali w danym ośrodku [m/s].

Podział fal sprężystych

Fale

sprężyste

Infradźwięki (poddźwięki)

Ultradźwięki to drgania mechaniczne cząstek ośrodka o częstotliwości większej niż górna granica słyszalności ucha ludzkiego. Granicę tę określa się umownie na 16 000 bądź 20 000 Hz.

Ultradźwięki

Fale ultradźwiękowe różnią się miedzy sobą kierunkiem drgań cząsteczek ośrodka w stosunku do kierunku rozchodzenia się fali.

Rozróżniamy:Fale podłużne,Fale poprzeczne,Fale powierzchniowe (Rayleigha),Fale podpowierzchniowe,Fale płytowe (Lamba),Fale Love’a.

Rodzaje fal

Fale powierzchniowe (Rayleigha)- rozchodzą się na powierzchni swobodnej ciała stałego, wnikając na głębokość około jednej długości fali. Ruch cząstek odbywa się po elipsie;

Fale podpowierzchniowe- to szczególny przypadek fal podłużnych, powstających jako fala załamania. Fale te wykazują brak czułości na nierówności powierzchni (wykrywanie wad blisko powierzchni o małej gładkości).

Rodzaje fal

Fale płytowe (Lamba)- rozchodzą się w ośrodku ograniczonym dwoma równoległymi powierzchniami, których odległość jest porównywalna z długością fali i nie przekracza kilku długości fali.

Fale Love’a- to fale poprzeczne rozchodzące się w cienkiej warstwie znajdującej się na podłożu o innych właściwościach akustycznych. Przesunięcia cząstek odbywają się równolegle do powierzchni warstwy i prostopadle do kierunku rozchodzenia się fali.

Podstawy teoretyczne badań ultradźwiękowych

Prostopadłemu padaniu fali na granicę dwóch ośrodków towarzyszy zjawiskoodbicia i przenikania. Część fali padającej odbija się od granicy ośrodków,a część rozchodzi się w drugim ośrodku. Wartość stosunku energii fal odbitychi przechodzących zależy od akustycznych oporności (impedancji akustycznej)rozpatrywanych ośrodków, oporność tę można wyrazić wzorem:

ρ - gęstość środka,

v - prędkość fali w tym ośrodku,

E – moduł Young’a.

Zjawisko odbicia jest tym wyraźniejsze, im większa jest różnica oporności akustycznych obydwu ośrodków.

EvZ

Podstawy teoretyczne badań ultradźwiękowych

Współczynnik odbicia:

Ir- natężenie fali odbitej,

I0- natężenie fali padającej.

0I

IR r

Współczynnik transmisji:

RT 1

Podstawy teoretyczne badań ultradźwiękowych

Załamanie fali

2

1

2

1

sin

sin

v

v

v1 v2

Podstawy teoretyczne badań ultradźwiękowych

Natężenie fali ultradźwiękowej rozchodzącej się w ośrodkach stałych ulega osłabieniu. Składają się na to dwa czynniki:

Pochłanianie:część energii fali jest tracona z

powodu ciepła wytwarzanego na skutek tarcia wewnętrznego

cząstek.

Rozpraszenie:(nieukierunkowane odbicie) fali od poszczególnych granic, które

występują w ośrodkach niejednorodnych pod

względem struktury czy nawet zawierających wady

wewnętrzne o wymiarach makroskopowych.

Podstawy teoretyczne badań ultradźwiękowych

Wielkość strat energii określa energetyczny współczynnik tłumienia γ. Za jego pomocą określić można natężenie fali I w funkcji jej drogi l.

I0 – natężenie fali wyjściowej, e- podstawa logarytmów naturalnych.

Wartość współczynnika tłumienia rośnie ze wzrostem częstotliwości fal.

(Podobny efekt wywołuje wzrost wielkości ziarna materiału. Z tego powodu do badania materiałów o strukturze gruboziarnistej (np. betonu) należy stosować fale ultradźwiękowe o niskich częstotliwościach ( 40÷ 100 kHz)).

I= I0 – e-γl

Oddziaływanie ultradźwięków ze środowiskiem

Ultradźwięki czynne - wytwarzanie fal o znacznym natężeniu w celu osiągnięcia określonych zmian fizycznych lub chemicznych (lutowanie, suszenie, rozkruszanie, terapie medyczne).

Ultradźwięki bierne - ze względu na swe małe natężenia są przydatne do pomiarów i diagnostyki. Ultradźwięki bierne są ważnym narzędziem w technice pomiarowej. Znalazły zastosowanie w badaniach materiałów m.in.:

• przy wykrywaniu defektów mikrostruktury (wykrywanie wad, rozwarstwień, pęknięć),

• przy pomiarach grubości,

• przy wyznaczeniu stałych sprężystości,

• w diagnostyce medycznej.

Wytwarzanie fal ultradźwiękowychZjawisko piezoelektryczne proste: powstawanie ładunków na powierzchni

kryształu piezoelektrycznego pod wpływem przyłożonej siły (ściskanie lub

rozciąganie wzdłuż jednej z osi). Zjawisko to jest wykorzystywane do odbioru

fal ultradźwiękowych.

Zjawisko piezoelektryczne odwrotne (wytwarzanie fal ultradźwiękowych):

Przekształcenie potencjału elektrycznego w drgania mechaniczne.

Wytwarzanie fal ultradźwiękowych

Kryształ piezoelektryczny – zazwyczaj jest nimmateriał krystaliczny (KWARC), który jestaktualnie wypierany przez materiały syntetyczne np.tytanian baru, tytanian ołowiu.

Wytwarzanie fal ultradźwiękowych

Rodzaje głowic ultradźwiękowych wieloprzetwornikowych

głowica liniowa głowica mozaikowa

głowica pierścieniowa głowica pierścieniowa segmentowa

Metody badań ultradźwiękowych

Metoda echa polega na wytworzeniu i wprowadzeniu do badanego materiału impulsów fal ultradźwiękowych oraz ich odbiorze po odbiciu od wady materiałowej lub powierzchni ograniczających.

Na podstawie obserwacji tego odbicia możnawnioskować o występowaniu nieciągłościw materiale lub powierzchni wynikającej z kształtówbadanego przedmiotu.

Mierząc czas t, jaki upływa od chwili wysłania faliultradźwiękowej w głąb badanego materiału dochwili jej powrotu po odbiciu można określićprzebytą przez nią drogę. Dzięki temu możliwe stajesię określenie położenia wady (l) lub odpowiedniegowymiaru przedmiotu (g).

l = vt/2 g = vt/2

Na wysokość echa wpływa:

- rodzaj i kształt nieciągłości,

- pole powierzchni nieciągłości,

- orientacja względem wiązki fali ultradźwiękowej,

- odległości nieciągłości od głowicy,

- własności sprężyste materiału (tłumienie),

- jednorodność , anizotropia próbki.

Metody badań ultradźwiękowych

Metoda przepuszczania (cienia) polega na wprowadzeniu fal ultradźwiękowych z jednej strony badanego materiału i odbieraniu ich z drugiej strony po przejściu przez ten przedmiot przy równoczesnej obserwacji natężenia fal przechodzących.

Każda nieciągłość na drodze fal ultradźwiękowychodbija je tworząc za sobą cień, co powoduje osłabienienatężenia fal przechodzących przez obszar z wadą.Metoda cienia nadaje się szczególnie do badaniacienkich ciał, takich jak blachy, rurki, druty o gruboścido 50 mm. Wadą tej metody jest niemożnośćstwierdzenia głębokości, na jakiej znajduje sięwtrącenie.

Metoda stosowana do badania obiektów wykonanych z materiałów silnie tłumiących,

do których nie nadaje się metoda echa. Nieciągłość na drodze impulsu powoduje

spadek jego amplitudy (osłabienie energii fali).

Na osłabienie energii fali przechodzącej przez obiekt ma wpływ:

- rodzaj i kształt nieciągłości,

- wymiar nieciągłości i położenie względem głowic.

Charakterystyka metody ultradźwiękowej

Defektoskopia to metoda nieniszcząca, stosowana do badań nieruchomych elementów maszyn. Przy jej pomocy w sposób bezpośredni można określić stałe materiałowe, anizotropię próbek, ich niejednorodność oraz defekty mikrostruktury.

W zależności od celu badań oraz warunków i możliwości, może być stosowana zarówno metoda przepuszczania jak i metoda echa.

1

2

3wada

próbka

przetwornik

jednostki czasu

Am

plit

uda

Impuls wygenerowany

Odbicie od wady

Odbicie od tylnej

ścianki

warstwa

sprzęgająca

Przebieg badania

I. Wprowadzenie do obiektów fal ultradźwiękowych o częstotliwości powyżej 20 kHz. II. Detekcja sygnałów impulsów ultradźwiękowych (przechodzących przez badany

obiekt lub odbitych od wady). III. Tworzenie obrazów nieciągłości wewnętrznych poprzez skanowanie powierzchni

wzdłuż lub wokół nieciągłości.

Lokalizacja wady (określenie odległości od skanowanej powierzchni) odbywa się na podstawie analizy czasu przejścia fali ultradźwiękowej do głowicy do defektu i z powrotem. Informacja o rozmiarze nieciągłości zawarta jest w amplitudzie , fazie, obwiedni sygnałów.

Do wykrywania małych nieciągłości powinny być stosowane przetworniki o możliwie wysokiej częstotliwości pracy, jednak ograniczeniem jest wzrost tłumienia wraz ze wzrostem częstotliwości fali.

Zastosowania

Diagnostyka kontrolna

- Wlewki, kęsy, pręty, rury,

- Szyny kolejowe i tramwajowe,

- Połączenia spawane, zgrzewane, skurczowe, lutowane, nitowane

- Wały, wirniki, osie zestawów kołowych, itp.

- Kompozytowe podzespoły samolotów,

- Opony samochodowe i samolotowe,

- Butle gazów technicznych,

- Elementy amunicji (łuski),

Wyroby ceramiczne (izolatory),

Łopatki turbin i sprężarek.

Diagnostyka eksploatacyjna

- Złącza spawane (mosty),

- Połączenia nitowane (poszycia samolotów),

- Rurociągi i zbiorniki pod ciśnieniem,

- Szyny kolejowe zamontowane na torowiskach,

- Części statków, pojazdów kołowych, elementy taboru kolejowego i urządzeń energetycznych.

Wykrywanie wad

wewnętrznych

materiału

Pomiary grubości

Wady i zalety metody

Defektoskopia

Zalety

• Metoda nieniszcząca

• Możliwość kontroli badanego elementu w całej objętości

• Szerokie możliwości pomiaru

• Badania bezpieczne dla operatora

• Możliwość badania przy dostępie do jednej powierzchni obiektu

• Brak konieczności przerwania pracy obiektu podczas badania

Wady

• Konieczność stosowania środka sprzęgającego

• ograniczone możliwości badania elementów drobnych i cienkościennych

• Wysokie wymagania dotyczące geometrii i powierzchni badanych obiektów

Możliwości wykorzystania metod ultradźwiękowych zwłaszcza w badaniach materiałów porowatych, gruboziarnistych, anizotropowych uzależnione są od możliwości aparatury.

Rodzaje głowic stosowane w defektoskopii

Głowice

Obrazujące A-skan

Przetworniki kontaktowe

Przetworniki kątowe

Przetworniki z linią opóźniającą

Przetworniki immersyjne

Dual

Głowice fazowe

Warstwa sprzęgająca

Przykłady substancji stosowanych jako warstwa sprzęgająca:- klej do tapet, klej malarski, - woda pozbawiona pęcherzy (z dodatkiem detergentów, środków antykorozyjnych, alkoholu), - oleje maszynowe, smary stałe, - gliceryna, wazelina, krem silikonowy, - żel do włosów,- żywice epoksydowe o dużej lepkości, - miód pszczeli, - roztopione sole w przypadku badań w podwyższonych temperaturach.

Warstwa sprzęgająca służy ułatwieniu przejścia fali mechanicznej pomiędzy ośrodkami. Substancjami stosowanymi jako warstwy sprzęgające zwykle są nietoksyczne płyny, żele lub pasty o stosunkowo wysokiej lepkości.

Zastosowanie warstwy sprzęgającej jest w defektoskopii niezbędne, z uwagi na fakt, że fale o częstotliwościach ultradźwiękowych nie są skutecznie przewodzone w powietrzu.

Defektoskop EPOCH 1000

Defektoskop zawiera:- 2 gniazda do podłączenia głowic: 1 typu T/R oraz 1 typu R- kolorowy wyświetlacz,- wytrzymałą obudowę,- 2 porty USB, wyjście VGA, RS-232 i programowalne wyjścia analogowe- wewnętrzny akumulator litowo-jonowy.

EPOCH 1000 może pracować zarówno w trybie echa, jak i w trybie przepuszczania, w zależności od konfiguracji głowic.

Defektoskop EPOCH 1000 firmy Olympus to urządzenie cyfrowe, przystosowane do pracy w trudnych warunkach, sprawdzone pod kątem odporności na wstrząsy, wibracje, eksplozje oraz działanie w szerokim zakresie temperatur.

Defektoskop EPOCH 1000specyfikacja techniczna

Pomiary

Wyświetlanie wyniku pomiaru 6 dostępnych pól do wyświetlania wyników (wybór automatyczny lub ręczny)

Bramka 1Grubość, Droga wiązki, Rzut na powierzchnię, Głębokość, Amplituda, Czas przejścia, Min/Max głębokość, Min/Max amplituda

Bramka 2 Takie same jak dla Bramki 1

Bramka IF Grubość Nie dotyczy

Echo-do-EchaW standardzie. Wybór pomiędzy Bramka2-1, Bramka2-IF, Bramka1-IF

Standard

Inne pomiaryPrzekroczenie (w dB) wartości dla DGS/AVG, FBH (ekwiwalentny rozmiar reflektora) dla DGS/AVG, wskaźnik "D" według AWS D1.1/D1.5 , Wartość odrzutu

DAC/TVG W standardzie

ILOŚĆ punktów krzywej DACDo 50 punktów, z zakresem dynamiki 110 dB

Do 20 punktów, 40 dB dynamiki

Tryby specjalne DACOd 20% do 80% DAC, Własna krzywa DAC (rodzina do 6 krzywych)

Nie dotyczy

Tablica TVGDo 50 punktów, z zakresem dynamiki 110 dB, kompatybilne z Bramką IF we wszystkich ustawieniach PRF

Do 20 punktów, 40 dB dynamiki

Korekcja zakrzywionej powierzchni

W standardzie. Rura lub pręt, korekcja średnicy zewnętrznej OD dla pomiarów głowicą kątową.

Defektoskop EPOCH 1000specyfikacja techniczna

Kalibracja

Automatyczna kalibracja

• Prędkość fali, Przesunięcie zera (offset)• Wiązka prosta - głowice normalne (pierwsze echo denne lub echo-do echa)• Wiązka pod kątem - głowice kątowe (Droga wiązki lub Głębokość )

• Prędkość fali, Przesunięcie zera (offset), Czułość• Droga wiązki lub głębokość (kalibracja przesunięcia zera)

Tryby badańPE - Puls Echo, Podwójny, lub technika przepuszczania

PE - Puls Echo

Jednostki Milimetry, Cale lub Mikrosekundy

Zasięg podstawy czasuOd 3.33 mm do 26806 mm do 5900 m/s

Dla 61 wiązek (kątów), 3,33 mm do 390,95 mm do 5900 m/s

Prędkość fali Od 635 do 15, 240 m/s

Przesunięcie zera (offset) Od 0 µs do 750 µs Nie dotyczy

Przesunięcie podstawy czasu Od -59 mm do 25,400 mm Od 0 do maksymalnego zasięgu

Kąt załamania Od 0° do 85° z krokiem 0.1°61 kątów, z krokiem: 0.5°, 1.0°, 1.5°, lub 2.0°

Defektoskop EPOCH 1000specyfikacja techniczna

Nadajnik

EPOCH 1000, EPOCH 1000iR, EPOCH 1000i

(tryb konwencjonalny)

EPOCH 1000i(tryb PA - Phased Array)

Typ impulsu nadawczego Regulowana Fala Prostokątna

PRF - częstotliwość powtarzania

Od 5 Hz do 6000 Hz z krokiem 5Hz

Ręcznie regulowana. Maksymalnie 1520 Hz

Ustawienia mocy impulsu nadawczego

Od 50 V do 475 V z krokiem 25 V

40 V lub 80 V

Szerokość impulsu nadawczego

Regulowana od 30 ns do 10,000 ns (0.1 MHz) z technologią PerfectSquare™

Regulowana od 40 ns do 1000 ns z technologią PerfectSquare™

Tłumienie 50, 100, 200, 400 Ω Nie dotyczy

Opóźnienie impulsu nadawczego

Nie dotyczyOd 0 to 10 µs, z rozdzielczością 2.5 ns

Defektoskop EPOCH 1000specyfikacja techniczna

Odbiornik

Wzmocnienie Od 0 do 110 dB Od 0 do 80 dB

Maksymalny sygnał wejściowy 20 Vp-p 250 mVp-p na kanał

Impedancja wejściowa odbiornika

400 Omów ± 5% 50 Omów ± 10%

Szerokość pasma odbiornika Od 0.2 do 26.5 MHz @ -3 dB Od 0.5 do 12.5 MHz @ -3 dB

Opóźnienie odbiornika Nie dotyczyOd 0 do 10 µs, z rozdzielczością 2.5 ns

Ustawienia filtrów cyfrowych

Standardowy zestaw filtrów (zbadane i zgodne z PN-EN12668-1): 7 filtrówz zaawansowanym zestawie filtrów (nie zbadane z PN-EN12668-1): 30 filtrów

6 filtrów

Rektyfikacja Pełna fala, Górna połówka fali, Dolna połówka fali, RF

Podcięcie Od 0 do 80% FSH (wysokości ekranu) z widocznym ostrzeżeniem

Pomiar amplitudy Od 0% do 110% pełnej wysokości ekranu z rozdzielczością 0.25%

Częstotliwość pomiarowa Równa częstotliwości powtarzania (PRF) we wszystkich trybach

Defektoskop EPOCH 1000specyfikacja techniczna

Bramki

Bramki pomiarowe2 całkowicie niezależne bramki dla pomiarów amplitudy i czasu przejścia

Tryb pomiaru Droga fali Droga fali, Głębokość

Bramka sprzęgającaOpcjonalna, ze śledzeniem Bramki 1 I 2

Nie dotyczy

Początek bramki Zmienny w całym wyświetlanym zakresie podstawy czasu

Szerokość bramkiZmienna w zakresie od początku bramki do końca wyświetlanej podstawy czasu

Wysokość bramki Zmienna od 2% do 95% wysokości ekranu

Alarmy• Powyżej lub poniżej progu• Minimalna głębokość

• Powyżej lub poniżej progu (dla wybranego kąta)• Minimalna głębokość (dla wybranego kąta)

Kursory odniesienia2 kursory odniesienia dla zobrazowań A-skan

2 kursory odniesienia dla zobrazowań A-skan; 4 kursory dla obrazu sektorowego