ультразвуковой измеритель зазоров в многослойных конструкциях

Формула изобретения

Ультразвуковой измеритель зазоров в многослойных конструкциях, содержащий искатель и подключенные к нему импульсный генератор и прибор регистрации сигналов, отличающийся тем, что искатель выполнен из сферического фокусирующего пьезоэлемента и концентратора в виде двух акустически согласованных по волновому сопротивлению между собой и контролируемым объектом волноводов, один из которых имеет форму усеченного конуса, основание которого жестко связано с пьезоэлементом, а противоположная его поверхность с вторым волноводом с поверхностью сопряжения, вогнутой относительно пьезоэлемента, наружная поверхность второго волновода выполнена по форме контролируемого объекта в зоне контакта, а длину L концентратора вдоль акустической оси выбирают по формуле



где n целое положительное число (1,2,30);

f частота ультразвуковых колебаний пьезоэлемента;

С₁ и С₂ скорости ультразвука в волноводах.

Описание изобретения к патенту

Устройство относится к области контрольно-измерительной техники, в частности к техническим средствам для неразрушающего контроля зазоров в многослойных конструкциях.

Устройство может быть использовано в атомной энергетике, в машиностроении, химической технологии, экспериментальной технике, в космической и авиационной промышленности.

Известны устройства для измерения зазоров, содержащие корпус, пьезоэлектрические излучатели и приемники ультразвуковых волн, импульсный генератор и вторичный прибор регистрации временных интервалов [1]

Недостатком известных устройств является низкая точность и невозможность измерения зазоров в многослойных конструкциях, расположенных за металлической оболочкой, хорошо экранирующей ультразвуковые волны.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является преобразователь с узким пучком лучей ультразвуковых колебаний для контроля участков изделий, расположенных в труднодоступных местах, и более точного определения координат дефекта [2]

Недостатком прототипа является его функциональная ограниченность и низкая чувствительность.

Целью изобретения является повышение точности измерения и расширение функциональных возможностей устройства измерения.

Указанная цель достигается тем, что в ультразвуковом измерителе зазоров в многослойных конструкциях, содержащем искатель и подключенные к нему импульсный генератор и прибор регистрации сигналов, искатель выполнен из сферического фокусирующего пьезоэлемента и концентратора в виде двух акустически согласованных по волновому сопротивлению между собой и контролируемому объектом волноводов, один из которых имеет форму усеченного конуса, основание которого жестко связано с пьезоэлементом, а противоположная поверхность со вторым волноводом с поверхностью сопряжения, вогнутой относительно пьезоэлемента, наружная поверхность второго волновода выполнена по форме контролируемого объекта в зоне контакта, а длину L концентратора вдоль акустической оси выбирают по формуле:



где n целое положительное число (1, 2, 30);

f частота ультразвуковых колебаний пьезоэлемента;

c₁ и с₂ скорости ультразвука в волноводах.

Соответствие критерию "положительный эффект" достигается повышением точности измерения и расширения функциональных возможностей устройства измерения.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый измеритель зазоров в многослойных конструкциях отличается тем, что искатель выполнен из сферического фокусирующего пьезоэлемента и концентратора в виде двух акустически согласованных по волновому сопротивлению между собой и контролируемым объектом волноводов, один из которых имеет форму усеченного конуса, основание которого жестко связано с пьезоэлементом, а противоположная поверхность со вторым волноводом с поверхностью сопряжения, вогнутой относительно пьезоэлемента, наружная поверхность второго волновода выполнена по форме контролируемого объекта в зоне контакта.

Таким образом, заявляемый измеритель соответствует критерию "новизна".

Анализ известных параметров многослойных конструкций позволяет делать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с существенными отличительными признаками в заявляемом измерителе и признают предлагаемое изобретение соответствующим критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 и фиг.2 приведена принципиальная схема измерителя применительно к измерению зазора в каналах ядерного реактора между циркониевой трубой и графитовой кладкой замедлителя нейтронов.

Измеритель содержит корпус 1, сферически пьезоэлектрический излучатель-приемник ультразвуковых колебаний 2, демпфер 3, акустический волновод конической формы 4, контактирующий волновод 5, толкатель 6, пружину 7, импульсный генератор 8, вторичный прибор 9.

Измеряемый объект состоит из циркониевой трубы 10 заполненной водой, графитовых шайб 11, 14 и графического замедлителя 12. Между трубой 10 и замедлителем 12 имеется радиальный зазор шириной A, который необходимо измерить. В графитовых шайбах имеются пазы шириной B, которые используются для прохождения ультразвуковых волн при измерениях. Пространство зазоров 13 заполнено газовой средой (аргон, гелий).

Волноводы 4 и 5 имеют одинаковые волновые сопротивления, но разные фазовые скорости ультразвуковых волн, причем скорость в волноводе 5 больше, чем в волноводе 4. Поверхность их взаимного геометрического сопряжения имеет сферическую форму и обладает способностью концентрировать ультразвуковые волны.

Совместная концентрирующая способность указанной поверхности и сферического пьезоэлектрического излучателя-приемника выбрана достаточной для компенсации рассеивающего действия наружной оболочки объекта измерения, в данном случае наружной границы циркониевой трубы 10 с газовой средой, заполняющей зазор 13. Для этого на основании закона преломления ультразвуковых волн на границах различных сред (закона синусов) реализовано следующее условие получения слабо расходящегося пучка ультразвуковых волн в измеряемом зазоре:



где ₁₃ угол падения и отражения волн на поверхность замедлителя 12;

₅ угол преломления волн в волноводе 5 и стенке трубы 10;

₄, ₅ углы осаждения крайних лучей в волноводах 4 и 5;

₁₀ угол рассеивания на границе труба 10 зазор 13;

C₄, C₅, C₁₃ фазовые скорости ультразвуковых волн соответственно в волноводах 4, 5 и зазора 13.

Путем соответствующего выбора параметров C₄, C₅, ₄, ₅, ₅, входящих в условие (1) получено значение угла преломления ₁₃ порядка 4^o.7^o, что обеспечивает формирование почти параллельного пучка ультразвуковых волн, падающих на отражающую границу замедлителя 12. При этом обеспечивается наибольший коэффициент возврата отраженных волн через паз в шайбе 11 и стенку трубы 10, так как лучи не касаются шайбы 11. Ниже дается пример расчета величины

Исходные данные для расчета:

₄= 25, ₅= 10, ₁₀= 3 (из чертежа)

C₄=3600 м/с (для бронзы 1);

C₅=4900 м/с (для циркония);

C₁₃=300 м/с (для аргона).

Для расчета использовано последнее равенство выражения (1):



Полученный результат соответствует условию (1) и обеспечивает получение практически параллельных лучей ультразвуковых волн в измеряемом зазоре 13.

Для получения максимальной колебательной мощности на выходе из акустической системы длина волноводов 4 и 5 выбрана кратной целому числу полуволн излучаемых колебаний согласно формуле:



где L суммарная длина волноводов;

n целое положительное число (n=1,2,3.30);

f частота излучаемых колебаний;

C₁, C₂ скорости ультразвука в волноводах 4, 5.

Размеры контактной площади волновода 5 выбраны соразмерно с шириной паза B.

Остальные параметры акустической системы выбраны с учетом габаритов измеряемого объекта и выполнения условия (1).

С целью подавления акустических помех корпус 1 выполнен из материала с малым волновым сопротивлением (например, алюминия) относительно волновода 4.

Работа измерителя происходит следующим образом. Импульсный генератор 8 формирует непрерывный ряд зондирующих импульсов прямоугольной формы с шириной импульса, равной половине периода свободных колебаний пьезоэлектрического излучателя-приемника 2. Период импульсов выбран достаточным для возврата отраженных импульсов обратно к излучателю-приемнику и регистрации их вторичным прибором 9. Зондирующие импульсы генератора вызывают возбуждение излучателя-приемника на собственной частоте порядка (100.800) кГц, при этом благодаря демпферу 2 колебания излучателя быстро затухают за интервал времени, равный периоду зондирующих импульсов. Колебания сферического излучателя передаются волноводу 4 и распространяются по нему сходящимися лучами под углом к оптической оси S-S. Максимальный угол схождения крайнего луча равен ₄ Он определяется диаметром излучателя d и радиусом сферической поверхности излучателя R:



На границе раздела волноводов 4 и 5 этот сходящийся пучок волн преломляется и получает дополнительный угол схождения. Полный угол преломления ₅ лучей в волноводе 5 при этом равен:



где C₄, C₅ скорости ультразвука в волноводах 4, 5;

₄, ₅ углы схождения крайнего луча в волноводах 4 и 5, отраженные на границе раздела волноводов 4 и 5 отсутствует, так как волновые сопротивления их практически одинаковы:

Z₄ Z₅= 31,910⁶ кг/м²c.

На границе раздела волновода 5 и циркониевой трубы преломления и отражения волн не происходит, т.к. волновод 5 и труба 10 изготовлены из одинакового материала (циркония).

На границе циркониевой трубы 10 с газовой средой зазора 13 происходит резкое преломление ультразвуковых волн ввиду значительного отличия волновых сопротивлений этих сред:

Z_o 3210⁶ кГ/м²C, Z₁₃410⁴ кг/м²c.

При этом сильно сходящийся пучок волн, поступающий на границу раздела этих сред трансформируется в пучок почти параллельных лучей, сходящихся под углом ₁₃ 4 к акустической оси S-S. На этой границе раздела происходит также значительное отражение ультразвуковых волн (до 90%) ввиду значительного отличия волновых сопротивлений граничащих сред. Отраженные волны (один из отраженных лучей обозначен U₁) возвращается на пьезоэлектрический излучатель-приемник 2, возбуждает в нем электрические колебания, что регистрируется вторичным прибором 9 в виде импульса. Передний фронт этого импульса фиксирует переднюю границу измеряемого зазора.

На границе раздела графитового замедлителя 12 и газовой среды зазора происходит отражение пучка ультразвуковых волн под тем же углом ₁₃ (луч U₂). Коэффициент отражения близок к 100% ввиду значительной разницы волновых сопротивлений графита и газовой среды. Отраженные лучи также возвращаются на излучатель-приемник 2 и регистрируются вторичным прибором 9 в виде второго импульса. Промежуток времени t между этими импульсами пропорционален длине измеряемого зазора A:

A = kt, (5)

где k коэффициент пропорциональности.

Ввиду значительного отражения прямого и обратного лучей (U₀, U₂) на границе циркониевая труба 10 газовая среда 13 происходит значительное уменьшение мощности отраженных волн (U₂) относительно исходных (U₀). При этом амплитуда возвращаемых к приемнику отраженных колебаний может быть уменьшена в 10⁴ раз. Для уверенной регистрации отраженных волн требуется сигнал не менее 10 мВ, поэтому амплитуда первичных электрических колебаний выбрана с учетом ослабления при 2-кратных отражениях в 10⁴ раз не менее 100 В. С учетом потерь на затухание в волноводах и излучателе амплитуда зондирующего сигнала выбрана 500 В.

Импульсный генератор 8 может формировать также импульсы высокочастотных гармонических колебаний с регулируемой частотой и амплитудой, оптимальные значения которых выбираются в процессе измерения исходя из параметров отраженных сигналов с учетом конкретных характеристик измеряемых объектов.

Для измерения зазоров между циркониевой трубой 10 и графитовой шайбой 11 измеритель поворачивается на 90^o вокруг оси трубы 10 в любую сторону относительно указанного на фиг.1 положения. При этом измеритель может также перемещаться вдоль от трубы 10 вверх или вниз на высоту шайбы h для измерения зазоров различных шайб. При этом возможно измерение зазора между шайбой 14 и поверхностью замедлителя 12.

Сигналом нарушения нормальной величины зазоров между шайбой 14 и замедлителем 12 является изменение амплитуды отраженного сигнала от указанных границ.

Кроме прямого назначения измеритель может быть использован для выявления дефектов (трещин) в стенках трубы 10 и графитовых шайбах 11, 14, а также для измерения наружного диаметра циркониевой трубы 10. Для измерения диаметра производится два последовательных замера интервалов времени между импульсами лучей U₁, и U₀, причем второй замер выполняется с поворотом измерителя на 180^o вокруг оси трубы 10.

Преимуществом измерителя являются:

простота конструкции;

малые габариты;

надежность в работе;

возможность установки нескольких измерителей на одном несущем снаряде;

высокая точность измерения (до 0,01 мм).

Таким образом, предлагается ультразвуковой измеритель зазоров в многослойных конструкциях, имеющий по сравнению с прототипом существенно лучшие конструктивные и эксплуатационные характеристики.

Использование предлагаемого измерителя может значительно улучшить эксплуатационные и технико -экономические показатели диагностической аппаратуры контроля состояния технических объектов в различных отраслях промышленности, энергетики и дать существенный экономический эффект в результате своевременного предупреждения возникновения аварий.