Удосконалення акустичного методу контролю товщини металоконструкцій

Abstract

Досліджено та обгрунтовано можливість і доцільність використання безконтактних ультразвукових перетворювачів для контролю товщини стінки металоконструкцій. Удосконалено метод безконтактного акустичного контролю товщини, що полягає у використанні узгоджуючого шару для зменшення втрат енергії ультразвукових коливань та нейромереж для оброблення і локалізації зашумлених ехо-імпульсів. Розроблено математичну модель процесу поширення ультразвукових коливань та розраховано величини втрат енергії акустичних коливань під час безконтактного вимірювання товщини. Розраховано фізичні (акустичний опір) та геометричні (товщина) характеристики узгоджуючого шару безконтактного п'єзоперетворювача та розраховано його характеристики. За результатами розрахунків розроблено конструкцію ультразвукового перетворювача для контролю товщини металоконструкцій. Проведено експериментальні випробування експериментальної установки згідно з розробленою методикою, що дало змогу довести можливість контролю товщини стінки металоконструкцій удосконаленим безконтактним акустичним методом та підтвердити адекватність побудованої математичної моделі. Розроблено та виготовлено дослідно-експериментальний зразок установки для контролю товщини стінки металоконструкцій. Розроблено проект методики безконтактного контролю товщини металоконструкцій акустичним методом за допомогою розробленої системи.

Диссертация посвящена вопросу усовершенствования акустического метода измерения толщины стенки металлоконструкций. В первом разделе проведен анализ методов и средств акустического контроля толщины металлоконструкций. Подано их преимущества и недостатки. Анализ известных методов и средств контроля показал, что на сегодняшнее время для контроля толщины стенки металлоконструкций в основном используются контактные акустические методы с использованием жидкостей для создания акустического контакта. Необходимость создания качественною акустического контакта преобразователя с объектом контроля значительно сужает область применения метода, уменьшает его производительность. Решение данной проблемы может быть наедено путём использования бесконтактных акустических методов контроля совместно с современными методами обработки измерительной информации. Второй раздел посвящен теоретическим исследованиям новых подходов и методов измерения толщины стенки металлоконструкций и способов обработки измерительных сигналов. Анализ разработанной физической модели процесса бесконтактного акустического контроля толщины элементов металлоконструкций показал, что основными проблемами при передаче энергии ультразвуковых колебаний от преобразователя через воздух есть значительная разница акустических сопротивлений пьезопластины, воздуха и исследуемого материала и дал возможность определить пути усовершенствования акустического метода контроля, а именно: необходимость использования согласующих слоев, что позволит уменьшить потери энергии акустических колебаний на границе раздела пьезоэлемент/воздух; компенсация потерь энергии акустических колебаний на границе раздела воздух/объект контроля путём использования технологий искусственных нейронных сетей для обработки измерительной информации. Разработана математическая модель согласующего слоя преобразователя позволила определить его толщину и акустическое сопротивление, а также рассчитать потери энергии акустических колебаний при бесконтактном измерении толщины. В третьем раздел приводится теоретические исследования относительно разработки нового метода обработки измерительных сигналов. Значительные потери энергии акустических колебаний, которые возникают при бесконтактном акустическом контроле толщины элементов металлоконструкций, приводят к тому, что амплитуда акустических колебаний, которые прошли через объект контроля находится ниже уровня собственных шумов преобразователя. В таком случаи использование традиционных методов обработки измерительных сигналов не даёт возможности определить толщину исследуемого объекта. Суть нового метода, который разработан на базе искусственных сетей, состоит в следующем. По выборке с измерительными сигналами реализуется так называемый метод «плавающего окна». Таким образом анализируется весь сигнал по частям. Окно передвигается с шагом единица. В таком случае задание состоит в анализе выборке. Проведены теоретические исследования показали, что для обработки измерительной информации, полученной при бесконтактном контроле толщины металлоконструкций, целесообразно использовать нейросетевой метод, который имеет лучшую чувствительность. В четвёртом разделе приведено методику и результаты экспериментальных исследований с целью проверки бесконтактного акустического метода контроля толщины металлоконструкций и разработанного метода обработки измерительной информации. Проведено метрологическую оценку разработанного метода. Было разработано экспериментальную установку для контроля толщины элементов металлоконструкций. Описано её конструкцию и принцип работы. Экспериментальные исследования проводились на 12 плоских образцах, изготовленных из стали, толщиной от 0,55мм до 9,53мм с использованием нового разработанного метода обработки измерительной информации. Проведены в процессе экспериментальных исследований многократные измерения толщины позволили провести метрологическую оценку. Относительная погрешность измерения толщины с использованием разработанного метода не превышает 5,5%. Пятый раздел посвящен разработке, изготовлению и апробации испытательного образца установки в промышленных условиях. Проведены успешные лабораторные исследования и промышленная апробация установки в условиях НПФ «Зонд» и Богородчанского ЛПУМГ. Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения разработанной установки составляет 97тыс. грн.

Dissertation is devoted to the problem of non-contact testing of metallic constructions using acoustic method. The possibility and reasonability of non-contact ultrasonic transducers usage for thickness testing has been investigated and proved. Method of non-contact acoustic measurement of thickness has been improved based on usage of matching layer for elimination of ultrasonic wave energy and application of artificial neural networks for data processing and detection of highly noised signals. The mathematical model of ultrasonic wave propagation in the controlled media was developed and actual acoustic waves' energy losses have been calculated for the non-contact thickness measurement. The physical (acoustic impedance) and geometrical (thickness) parameters of matching layer of non-contact transducers have been calculated. The ultrasonic transducer for thickness measurement have been designed using results of simulation. Experimental investigations of experimental setup according to the developed methodology were conducted and the results proved the possibility of non-contact ultrasonic thickness measurement. The experimental prototype of setup for control of thickness of metallic construction has been developed. The draft of guide for non-contact measurement of thickness of metallic construction using the developed technique has been proposed.