Патент на изобретение №2272282

(54) СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ДЕРЕВЯННЫХ ИЗДЕЛИЙ

(57) Реферат:

Использование: для ультразвукового контроля состояния деревянных изделий. Сущность: заключается в том, что излучают в исследуемое изделие ультразвуковой сигнал, принимают сигнал и преобразуют его в электрический сигнал, при этом одновременно измеряют амплитуду, длительность и энергию электрического сигнала, принятого после исследуемого изделия, а также скорость прохождения ультразвукового сигнала через исследуемое изделие, нормируют показатели измерений в диапазоне от – до +, где – относительный коэффициент, не имеющий размерности, в качестве которого может быть выбрано любое число, суммируют нормированные показатели измерений амплитуды, скорости, длительности и энергии сигнала, а по результату суммирования судят о состоянии целостности структуры древесины изделия, при положительной сумме – древесина здоровая, при отрицательной сумме – целостность структуры древесины изделия нарушена. Технический результат: повышение достоверности и точности контроля. 1 ил.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля состояния деревянных изделий методом ультразвукового сканирования и анализа прошедшего через исследуемое изделие ультразвукового сигнала (так называемому теневому методу) и может быть использовано для контроля состояния целостности структуры древесины деревянных изделий, деревянных деталей конструкций.

Известен способ ультразвукового контроля состояния изделий, выбранный в качестве аналога (см. А. св. СССР №1493946, 1989), в котором генерируют ультразвуковой сигнал, пропускают через исследуемое изделие, принимают ультразвуковой сигнал, который преобразуют в электрический сигнал, усиливают его и проводят анализ электрического сигнала, по результатам которого судят о состоянии изделия. Данный способ ультразвукового контроля состояния изделий предназначен для неразрушающего контроля материалов и изделий и может быть использован при ультразвуковой дефектоскопии сварных швов металлических изделий.

Однако данный способ не может быть использован для определения внутреннего состояния деревянных изделий, так как оптимальная частота контроля, затухание и скорость прохождения ультразвукового сигнала в древесине отличаются от этих параметров в металлических изделиях и определение внутреннего состояния деревянных изделий не будет достоверным.

Известен также способ ультразвукового контроля состояния изделий, в частности, определения прочности бетона, выбранный в качестве прототипа (см. А. св. СССР №1548752, 1990), при котором генерируют ультразвуковой сигнал, излучают его, в исследуемое изделие, принимают сигнал и преобразуют его в электрический сигнал, усиливают, и осуществляют анализ параметров этого сигнала, при котором выделяют низкие, средние и высокие частоты, по каждой полосе частот измеряют временные интервалы прохождения ультразвукового сигнала через изделие, сравнивают результаты измерений временных интервалов и судят о состоянии исследуемого изделия. При значительном расхождении результатов измерений временных интервалов по низким, средним и высоким частотам проводят повторные измерения параметров исследуемого изделия.

Для данного способа требуются большие временные затраты, т.к. необходимо произвести некоторое количество измерений для определения состояния исследуемого изделия, чтобы судить о состоянии изделия с достаточной достоверностью и точностью.

Кроме того, предлагаемый способ реализован на исследовании только одного параметра сигнала, а именно – временном интервале прохождения ультразвукового сигнала через изделие, что снижает достоверность и точность определения состояния изделия.

Была поставлена задача: создать способ ультразвукового контроля состояния деревянных изделий, обеспечивающий достоверное, точное и быстрое определение состояния изделий или деталей деревянных конструкций, например деревянных опор линии электропередачи (ЛЭП) за счет интегральной, т.е. совокупной оценки нескольких параметров ультразвукового сигнала, прошедшего через исследуемое деревянное изделие с учетом диапазона изменения соответствующих параметров при измерениях. При этом, при повышении достоверности и точности контроля необходимо минимизировать число измерений, т.е. обеспечить быстроту измерений и, тем самым, повысить эффективность способа.

Цель изобретения – повышение достоверности и точности контроля.

Поставленная цель достигается тем, что в способе ультразвукового контроля состояния изделий, при котором генерируют ультразвуковой сигнал, излучают его в исследуемое изделие, принимают сигнал и преобразуют его в электрический сигнал, усиливают, и осуществляют анализ параметров этого сигнала, по результатам которого судят о состоянии исследуемого изделия, новизна в том, что дополнительно в анализе параметров электрического сигнала используют одновременно измеряемые параметры амплитуды, длительности и энергии сигнала после исследуемого изделия, и скорости прохождения ультразвукового сигнала через исследуемое изделие, нормируют показатели измерений в диапазоне от – до +, где – относительный коэффициент без размерности, в качестве которого может быть выбрано любое число, арифметически суммируют нормированные показатели измерений амплитуды, скорости, длительности и энергии сигнала, а по результату суммирования судят о состоянии целостности структуры древесины изделия.

Сущность изобретения поясняется следующим.

В предлагаемом способе использован принцип ультразвуковой теневой дефектоскопии изделий, т.е. воздействие на деревянное изделие ультразвуковым сигналом, прием сигнала, прошедшего через изделие, и его анализ, основанный на целостности структуры древесины исследуемого изделия. От целостности структуры древесины зависят скорость прохождения ультразвукового сигнала через исследуемое изделие, амплитуда, длительность и энергия ультразвукового сигнала, принятые после исследуемого изделия.

Предлагаемый способ включает одновременное измерение параметров ультразвукового и электрического сигналов, а для анализа этих разнородных параметров проводят нормирование показателей через безразмерный коэффициент и их суммирование, а по результату суммирования судят о состоянии целостности структуры древесины изделия.

Результат измерения скорости прохождения (распространения) ультразвука через изделие определяют как отношение геометрического размера изделия в направлении прохождения ультразвука, равного расстоянию между ультразвуковыми преобразователями, ко времени прохождения ультразвукового сигнала через изделие.

Нормирование полученных результатов осуществляют в диапазоне от – до +. Границы диапазона изменения скорости для нормирования определяют по образцам наихудшего (полное загнивание) и наилучшего (здоровая древесина) состояния. Нормированный результат измерения скорости U_С может быть определен по формуле:

где l(м) и t(с) – соответственно размер исследуемого изделия и время прохождения сигнала через него;

l_Г (м) и t_Г (с) – соответственно размер наихудшего образца (полное загнивание) и время прохождения сигнала через него;

l₃ (м) и t₃ (с) – соответственно размер наилучшего образца (здоровая древесина) и время прохождения сигнала через него;

– относительный коэффициент, не имеющий размерности, в качестве которого может быть выбрано любое число, но обязательно одинаковое для всех измеряемых параметров ультразвукового сигнала.

Необходимость измерения скорости распространения диктуется зависимостью скорости ультразвука от модуля упругости древесины, то есть ее прочности, при этом нестабильный контакт ультразвуковых преобразователей с изделием на результат измерения скорости влияния не оказывает. Однако небольшой диапазон изменения скорости и необходимость измерения геометрического размера изделия в направлении прохождения ультразвука затрудняют определение состояния исследуемого изделия только по этому параметру.

Результат измерения амплитуды ультразвукового сигнала, прошедшего через исследуемое изделие, также нормируется в диапазоне от – до +, пропорционально амплитуде ультразвукового сигнала. Границы диапазона изменения амплитуды сигнала для нормирования устанавливают по образцам наихудшего (полное загнивание) и наилучшего (здоровая древесина) состояния. Нормированный результат измерения амплитуды U_А может быть определен по формуле:

где U_m (мВ) – амплитуда сигнала, прошедшего через исследуемое изделие;

U_min (мВ) – амплитуда сигнала, прошедшего через исследуемое изделие; для наихудшего образца (полное загнивание);

U_max (мВ) – амплитуда сигнала, прошедшего через исследуемое изделие, для наилучшего образца (здоровая древесина).

Необходимость измерения амплитуды диктуется зависимостью затухания ультразвука от степени загнивания, однако амплитуда сильно зависит от наличия трещин в изделии и качества контакта ультразвуковых преобразователей, из-за чего анализ состояния только по амплитуде не всегда дает адекватный результат.

Результат измерения длительности ультразвукового сигнала, прошедшего через исследуемое изделие, также нормируется в диапазоне от – до +. Нормированный результат U_д измерения длительности ультразвукового сигнала может быть определен по формуле:

где t_Д (с) – длительность прошедшего через исследуемое изделие ультразвукового сигнала;

t_min (с) – длительность прошедшего через наихудший образец (полное загнивание) ультразвукового сигнала при калибровке;

t_max (c) – длительность ультразвукового сигнала, прошедшего через образец наилучшего состояния (здоровая древесина) при калибровке.

Длительность сигнала будет зависеть от числа переотражений сигнала внутри изделия, для которых необходимо наличие значительного количества неповрежденных участков древесины с высокой плотностью, что позволяет сделать вывод о связи длительности сигнала с прочностью изделия.

Результат измерения энергии сигнала U, равный среднеквадратичному напряжению после приемного ультразвукового преобразователя, определяется по формуле:

где t_д (с) – длительность прошедшего через изделие ультразвукового сигнала;

t (с) – время прохождения сигнала через изделие;

u(t) (мВ) – мгновенное напряжение сигнала после приемного ультразвукового преобразователя,

а нормированный результат U_Э измерения энергии может быть определен по формуле:

где U (мВ) – среднеквадратичное напряжение сигнала после приемного ультразвукового преобразователя (для исследуемого изделия);

U_min (мВ) – среднеквадратичное напряжение сигнала после приемного ультразвукового преобразователя для наихудшего образца (полное загнивание);

U_max (мВ) – среднеквадратичное напряжение сигнала после приемного ультразвукового преобразователя для наилучшего образца (здоровая древесина).

Энергия сигнала будет зависеть не только от амплитуды и длительности, но и от характера (формы) сигнала и хорошо сопоставляется с его прочностью.

Нормированные результаты измерений параметров ультразвукового сигнала, прошедшего сквозь (через) исследуемое изделие, суммируют арифметически, при этом результат отображает реальное состояние исследуемого изделия. Результат суммирования U_S может быть описан следующей формулой:

Если результат суммирования положителен, то состояние исследуемого изделия соответствует здоровой древесине. Если результат суммирования отрицательный – нарушена целостность структуры древесины, т.е. древесина изделия подверглась гниению.

Способ осуществляют следующим образом.

На чертеже изображена блок-схема устройства, реализующая предлагаемый способ.

Устройство содержит последовательно соединенные генератор 1 ультразвукового сигнала, излучающий ультразвуковой преобразователь 2, приемный ультразвуковой преобразователь 4, блок анализа 5.

К деревянному изделию 3, например, деревянной опоре ЛЭП с диаметрально противоположных сторон подносят и прижимают для обеспечения надежного акустического контакта ультразвуковые передающий 2 и приемный 4 ультразвуковые преобразователи. С помощью передающего ультразвукового преобразователя, подключенного к генератору 1 ультразвукового сигнала, возбуждают в изделии ультразвуковую волну и с противоположной стороны, с помощью ультразвукового приемного преобразователя 4, принимают прошедший через изделие ультразвуковой сигнал. Принятый ультразвуковой сигнал преобразуют в электрический, усиливают и анализируют в блоке анализа 5. Анализ сигнала заключается в измерении скорости прохождения ультразвукового сигнала через исследуемое изделие, измерении амплитуды, длительности и энергии электрического сигнала, преобразованного из ультразвукового сигнала, прошедшего через исследуемое изделие. Результат измерения каждого параметра нормируют с учетом диапазона максимального изменения соответствующего параметра при измерениях. Измерение всех параметров ультразвукового сигнала (анализ информации) осуществляется одновременно и независимо один от другого. Нормированные результаты арифметически суммируются, при этом сумма хорошо совпадает с реальным состоянием исследуемого изделия.

Если сумма положительна, то состояние исследуемого изделия соответствует здоровой древесине. Если сумма отрицательна – древесина изделия подверглась гниению.

Изобретение позволяет при контроле деревянных изделий уменьшить количество ложно забракованных деталей, а также обнаружить дефекты, не регистрируемые серийной (обычной) аппаратурой.

Формула изобретения

Способ ультразвукового контроля состояния деревянных изделий, при котором генерируют ультразвуковой сигнал, излучают его в исследуемое изделие, принимают сигнал и преобразуют его в электрический сигнал и осуществляют анализ параметров этого сигнала, по результатам которого судят о состоянии исследуемого изделия, отличающийся тем, что дополнительно в анализе параметров электрического сигнала используют одновременно измеряемые параметры амплитуды, длительности и энергии сигнала, принятого после исследуемого изделия, и скорости прохождения ультразвукового сигнала через исследуемое изделие, нормируют показатели измерений в диапазоне от – до +, где – относительный коэффициент, не имеющий размерности, в качестве которого может быть выбрано любое число, суммируют нормированные показатели измерений амплитуды, скорости, длительности и энергии сигнала, а по результату суммирования судят о состоянии целостности структуры древесины изделия, при положительной сумме – древесина здоровая, при отрицательной сумме – целостность структуры древесины изделия нарушена.

РИСУНКИ