ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Бийский технологический институт (филиал)
государственного образовательного учреждения
высшего профессионального образования
«Алтайский государственный технический университет
им. И.И. Ползунова»
В.Г. Ефимов, М.С. Лихачев
МЕТОДЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ
Методические рекомендации по выполнению лабораторных работ для студентов специальности 200106 «Информационно-измерительная техника и технологии»
Бийск
Издательство Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова
2010
| УДК 618.2
Рецензент: к.т.н. нач. отдела ФГУП «ФНПЦ «Алтай» А.Г. Митин Ефимов, В.Г.
Методические рекомендации представляют собой описание четырех лабораторных работ, необходимых для практического освоения методов радиационного и ультразвукового контроля, а также получения навыков работы с аппаратурой промышленного испол-нения. Каждая работа содержит необходимое теоретическое введение, рекомендации по выполнению и контрольные вопросы, необходимые для подготовки к защите лабораторной работы. Методические рекомендации предназначены для студентов специальности 200106, изучающих специальную дисциплину «Методы неразрушающего контроля», очной и очно-заочной форм обучения.
УДК 618.2
© Ефимов В.Г., Лихачев М.С., 2010
© БТИ АлтГТУ, 2010 |
СОДЕРЖАНИЕ
| 1 Лабораторная работа № 1. Исследование прохождения рентгеновского излучения и моноэнергетического излучения через вещество……………………………………………………..…... |
4 |
| 2 Лабораторная работа № 2. Экспериментальное исследование АЧХ пьезоэлектрического датчика………………………………..…. |
7 |
| 3 Лабораторная работа № 3. Ультразвуковой неразрушающий контроль качества продукции……………………………………........ |
9 |
| 4 Лабораторная работа № 4. Надежность оператора в составе радиометрической системы неразрушающего контроля……………. |
12 |
| Литература……………………………………………………………… |
16 |
1 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОХОЖДЕНИЯ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И МОНОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ЧЕРЕЗ ВЕЩЕСТВО
Цель работы
: определение коэффициентов ослабления и дозовых факторов накопления в алюминии и свинце и изучение основных эффектов взаимодействия рентгеновского и гамма-излучения с веществом.
1.1 Основные теоретические сведения
При прохождении через различные среды в результате взаимодействия с веществом интенсивность рентгеновского и гамма-излучения (далее просто – гамма-кванты) уменьшается.
Пусть на барьер падает моноэнергетический узкий пучок гамма-квантов с интенсивностью I
0
. Свойства поглотителя характеризуются линейным коэффициентом ослабления µ, определяющим относительное уменьшение интенсивности излучения при прохождении через слой поглотителя толщиной 1 см.
Изменение интенсивности излучения при прохождении через слой dx
(рисунок 1) равно
При , ,
Последнее выражение представляет собой закон ослабления для интенсивности узкого моноэнергетического мононаправленного пучка гамма-квантов. Коэффициент учитывает и поглощение и рассеяние, но при этом каждый рассеянный квант выбывает из пучка и не участвует в создании интенсивности I
. Пренебречь квантами, испытавшими рассеяние, и получить возможность пользоваться формулой для узкого пучка можно лишь в условиях так называемой хорошей геометрии, которая создается путем коллимации пучка гамма-квантов.
Рисунок 1 – Изменение интенсивности излучения при прохождении через слой dx
Если в пучке гамма-квантов роль рассеянных квантов велика, то такой пучок называется «широким пучком». Для этого случая интенсивность излучения параллельного пучка за защитой определяется формулой
где – энергетический фактор накопления, который показывает, во сколько раз увеличивается интенсивность излучения широкого пучка по сравнению с интенсивностью узкого пучка за защитой.
1.2 Порядок выполнения работы
1. Нарисовать схему эксперимента для геометрии узкого и широкого пучка.
2. Для источника Isovolt-420 с энергией излучения 150 и 200 КэВ замерить дозиметром значение интенсивности I
как функции толщины поглотителя из алюминия. Повторить данный пункт для поглотителя из свинца. Результаты измерений занести в таблицу, которую составить самим.
3. Повторить пункт 2 для геометрии широкого пучка.
4. Рассчитать значения линейного коэффициента ослабления m(х
) и дозового фактора накопления В
(х
) по следующим формулам:
,
.
5. Сравнить полученные значения с табличными из справочника [2].
6. Построить графики функции m(х
)=f
(x
) и В
(х
)= f
(x
) для двух значений энергии.
Контрольные вопросы
1. Способы получения рентгеновского и гамма-излучения.
2. Эффекты взаимодействия гамма-квантов с веществом.
3. Спектры тормозного и характеристического излучений.
4. Закон ослабления моноэнергетического узкого пучка гамма-квантов.
5. Линейный и массовый коэффициент ослабления.
2 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ АЧХ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ДАТЧИКА
Цель работы
:
- исследование амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) четырехполюсников в диапазоне частот 20-200 кГц;
- определение смещения амплитуды по одному из размеров пьезоэлемента;
- получение практических навыков работы с электроакустической аппаратурой.
2.1 Общие сведения
Входящий в состав системы ультразвукового контроля электроакустический тракт может быть представлен в виде четырехполюсника, входными контактами которого являются обкладки исследуемого пьезоэлемента, а выходными – контакт точечного щупа. Сигнал с генератора подается на исследуемый пьезоэлемент и параллельно на частотомер через делитель. Сигнал, принимаемый щупом, подается на осциллограф, служащий в данном случае измерительным элементом.
Состав аппаратуры: генератор сигналов низкочастотный ГЗ-109; осциллограф С1-112; частотомер ЧЗ-22; точечный щуп; пьезокристалл из керамики ЦТС.
2.2 Порядок выполнения работы
1. Изобразить на уровне функциональной схему проведения эксперимента в соответствии с общими сведениями.
2. Собрать реальную схему в соответствии с функциональной.
3. После проверки схемы преподавателем включить аппаратуру для прогрева в течение 5 минут.
4. Снять АЧХ в указанном диапазоне частот.
5. Для фиксированной частоты по указанию руководителя снять картину распределения смещения по указанной поверхности пьезоэлемента.
6. Построить график измеренной АЧХ и распределения смещения.
Контрольные вопросы
1. Что такое АЧХ?
2. Каким образом осуществляется оптимальное подключение измерительной аппаратуры к контактам четырехполюсников?
3. Как выбирается диапазон измерений при регистрации?
4. Как производится корректировка результатов измерений при измерении динамического диапазона?
5. Каковы качественно физические процессы, происходящие в четырехполюснике?
3 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3. УЛЬТРАЗВУКОВОЙ
НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ
Цель работы
: получение практических навыков в работе с промышленным дефектоскопом с пьезопреобразователями различного исполнения и эталонными образцами, выполненными в соответствии со стандартом при контроле сварных соединений.
3.1 Основные понятия УЗ дефектоскопии
УЗ дефектоскопия – это сочетание методов неразрушающего контроля, основанных на применении упругих волн УЗ диапазона различного вида: продольных, поперечных, поверхностных и т.д.
В основе УЗД лежат эффекты взаимодействия нарушения сплошности (трещины, раковины, расслоения) или однородности (крупнозернистость, фазовая неоднородность) с пучком зондирующих УЗ колебаний, что приводит к изменению амплитуд или других параметров (фазы, амплитуды, импеданса), регистрируемых в процессе контроля в зависимости от реализуемого метода.
Благодаря большому числу измеряемых параметров, которые могут быть использованы в различных сочетаниях, УЗД является одним из наиболее универсальных методов НК.
Эхо-метод основан на посылке в изделие коротких акустических импульсов и регистрации интенсивности и времени приема эхо-сигналов, отраженных от поверхности изделия и различного рода эффектов.
Кроме блока питания дефект
- блок электронно-лучевой трубки (ЭЛТ);
- блок развертки (БР);
- генератор импульсов возбуждения (ГИВ);
- блок автоматической сигнализации дефектов (АСД);
- блок приемного устройства (УП);
- блок измерителя отношений (ИО);
- блок цифрового отсчета (БЦО).
Дефектоскоп может работать в следующих режимах:
- режим «db» – измерение отношений входных амплитуд сигналов в децибелах;
- режим «min H» – измерение глубины залегания дефекта в миллиметрах при работе с совмещенными и раздельно-совмещенными пьезоэлетрическими преобразователями (ПЭП);
- режим «min X» – измерение Х координаты дефекта в миллиметрах при работе с наклонным ПЭП;
- режим «min Y» – измерение Y координаты дефекта (глубины залегания) в миллиметрах при работе с наклонным ПЭП;
- режим «µs» – измерение временного интервала электрических импульсов;
- дежурный режим.
В режиме «db» дефектоскоп работает следующим образом. В стабилизаторе напряжения вырабатываются синхроимпульсы, запускающие ГИВ, который вырабатывает колоколообразный импульс с ПЭП. УЗК, отраженные от дефекта или границы изделия, принимаются ПЭП и в виде радиоимпульсов поступают на вход УП, где усиливаются и выпрямляются. С выхода УП видеоимпульса поступают на блок ЭЛТ и БЦО для измерения времени поступления импульса. На второй вход УП поступает сигнал временной регулировки чувствительности (ВРЧ) с выхода блока ИО, который выравнивает чувствительность УП по времени прихода сигналов, отраженных от дефекта. В блоке АСД вырабатывается строб, который управляет работой ИО и поступает на блок ЭЛТ для индикации на экране. Временной интервал отображается на цифровом табло БЦО непосредственно в микросекундах. При последовательном касании сенсорного поля «µs» происходит переключение пределов измерения.
Для регулирования усиления входных сигналов УП снабжен аттенюатором и схемой регулирования чувствительности.
В целях оперативности настройки дефектоскопа кривая ВРЧ выведена на экран ЭЛТ (с возможностью отключения), а для компенсации выравнивания амплитуд введен регулятор формы ВРЧ.
БР вырабатывает пилообразное напряжение с горизонтального отклонения луча ЭЛТ, подсветки и балансирующие импульсы и обеспечивает возможность вывода на экран кривой ВРЧ или строба АСД.
БЦО кроме индикации результатов контроля позволяет производить измерения временных интервалов, длительности и задержки развертки, длительности и задержки стробов АСД и ВРЧ, длительность импульса установки «О».
В дежурном режиме обеспечивается подача напряжения от аккумуляторной батареи только на канал ЭЛТ.
Необходимо помнить, что в дефектоскопии понятие «строб-импульса» (строба) определяется, как выделенный в виде прямоугольного импульса участок на развертке ЭЛТ. Функционально строб служит для выделения на развертке той области, где возможно появление импульсов от дефектов. Это повышает удобство наблюдения при визуальном контроле и обеспечивает синхронизацию цепей БЦО при проведении соответствующих измерений.
3.2 Порядок выполнения работы
1. Ознакомиться с основными положениями разделов 5 и 6 «Руководства по эксплуатации дефектоскопа УД2-12».
2. Ответить на вопросы руководителя по порядку включения и местонахождению основных органов управления дефектоскопа.
3. Подключить прямой преобразователь для настройки измерителя времени БЦО дефектоскопа на эталоне СО-1, выполненном из оргстекла. Включить и настроить дефектоскоп.
4. Подключить к дефектоскопу вместо прямого наклонный преобразователь. Наблюдать за поведением эхоимпульса на различных искусственных дефектах эталона 1.
5. Заменить эталон СО-1 на стандартный образец СО-2А, изготовленный из стали 20. Провести работы по определению угла ввода УЗК и ширины основного лепестка диаграммы направленности преобразователя. Определить время прихода отраженного импульса и скорость УЗ волны в образце.
6. Используя образец-имитатор сварного соединения, по полученному времени прихода и известной скорости УЗК определить источник отражения эхо-импульса.
Контрольные вопросы
1. Что такое «строб-импульс» и для чего он используется в дефектоскопии?
2. Для чего служит блок АСД?
3. Назначения и характеристики блока ВРЧ.
4. В каком режиме возникает наибольшая потребность в системе ВРЧ?
5. Каков угол ввода колебаний в образец СО-2А?
6. Какова рассчитанная скорость колебаний в образце?
7. Что служит источником эхо-сигнала на образце-имитаторе?
4 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4. НАДЕЖНОСТЬ ОПЕРАТОРА В СОСТАВЕ РАДИОМЕТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ
Радиометрический метод неразрушающего контроля (НК) основан на свойствах прохождения ионизирующего излучения через вещество. Узким (коллимированным) пучком излучения сканируют контролируемый объект, последовательно просвечивая все его участки. Излучение, прошедшее через объект, регистрируется детектором – преобразуется в электрический сигнал, пропорциональный интенсивности излучения, попадающего в детектор. Электрический сигнал с детектора поступает на регистрирующее устройство, в качестве которого обычно применяют самопишущий прибор или персональный компьютер в комплекте с аналого-цифровым преобразователем. При наличии дефектов в материале, например, раковин, регистрирующее устройство отмечает изменение интенсивности излучения. Сканирование обычно осуществляется перемещением объекта относительно неподвижных источника и детектора. Реже перемещают источник и детектор при неподвижном или движущемся объекте. Основными параметрами процесса радиометрического НК являются:
- объем минимального выявляемого дефекта (см3
);
- производительность (см3
/сек);
- точность определения размеров дефекта;
- вероятность обнаружения минимального выявляемого дефекта;
- вероятность ложного обнаружения.
К конструктивным параметрам радиометрического дефектоскопа относятся:
- энергия и активность источника излучения;
- размеры коллимационного отверстия (апертуры) детектора;
- скорость сканирования;
- постоянная времени интегрирования сигнала с детектора.
Традиционная задача НК заключается в достижении выявляемости определенных заранее минимальных дефектов с заданной надежностью при максимальной производительности. Эта задача решается путем выбора конструктивных параметров дефектоскопа. Исходными данными задачи являются:
- характеристики объекта контроля (линейный коэффициент ослабления (ЛКО));
- излучения в материале объекта, просвечиваемая толщина;
- минимальный объем выявляемого дефекта;
- энергия и активность источника излучения;
- вероятность обнаружения дефекта заданного минимального объема;
- вероятность ложной браковки.
Цель работы:
- определение оптимальных параметров радиометрического дефектоскопа, позволяющего выявлять дефекты с заданной надежностью. Искомыми параметрами являются:
- размеры окна коллиматора b
1 и b
2;
- скорость сканирования V
;
- постоянная времени интегрирования t
.
Исходные данные:
- источник гамма-излучения – радиоактивный изотоп Со60
активностью Q
=100 Ки;
- линейный коэффициент ослабления материала контролируемого объекта m
=0,1 см-1
;
- толщина объекта в направлении просвечивания L
=100 см;
- расстояние источник–детектор R
=100 см;
- объем минимального выявляемого дефекта D
=2 cм3
;
- вероятность выявления минимального дефекта Р
1
=0,95;
- вероятность ложной браковки Р
0
=0,01.
4.1 Основные теоретические сведения
1. Изотопный источник излучает в единицу времени случайное число гамма-квантов. Среднее число квантов, попадающих в детектор за 1 с при наличии объекта контроля, определяется по формуле
(1)
2. Посредством детектора и регистрирующего устройства измеряется поток гамма-квантов, усредненный за время t
. Зарегистрированный сигнал является случайной величиной со средним значением (a – коэффициент пропорциональности) и среднеквадратичным отклонением. Заметим, что при увеличении относительная флуктуация уменьшается.
3. При появлении дефекта в поле зрения коллиматора происходит изменение сигнала. Если дефектом является полость объемом D
, то интенсивность возрастает на величину . Длительность сигнала , где V
– скорость сканирования, b
1 – размер коллиматора в направлении сканирования.
4. В результате интегрирования сигнала с детектора происходит как подавление шумов, так и сглаживание сигнала от дефекта. Существует оптимальное значение для постоянной времени t
опт
» DT
, при котором отношение сигнал/шум максимально. Если t
уменьшать, то будут возрастать при постоянном значении сигнала от дефекта, если t
увеличивать, то будут подавляться как шумы, так и сигнал от дефекта, причем шум уменьшается пропорционально , а сигнал – . Амплитуда сигнала от дефекта после интегрирования с оптимальным значением t
имеет вид: . Выражение для отношения сигнал/шум (М) можно представить в следующем виде: . Поскольку , то имеем , откуда можно определить скорость сканирования:
(2)
5. Определение оптимальных параметров можно осуществить в следующей последовательности.
Величина b
1 не может быть меньше линейного размера дефекта, поэтому ее обычно выбирают равной .
Величина b
2 тоже больше линейного размера дефекта. Для обеспечения производительности контроля ее выбирают равной 2×b
1.
Отношение сигнал/шум выбирают из следующих соображений. Сначала определяют некоторый уровень сигнала. Сигнал от минимального дефекта должен превышать некий браковочный уровень на 3s для того, чтобы вероятность выявления такого дефекта была равной 0,997. Браковочный уровень выбирается достаточно высоким для уменьшения вероятности ложной браковки, и его значение обычно равно 6s, откуда следует, что сигнал от дефекта должен быть не менее 9s, а отношение М
=9.
Число квантов определяется из выражения (1). Теперь может быть определена скорость сканирования V
из выражения (2). Постоянная времени интегрирования, как уже было рассмотрено выше, .
4.2 Последовательность выполнения работы
1. Определить расчетным путем параметры дефектоскопа b
1, b
2, V
, t
для исходных данных, приведенных выше.
2. Запустить программу LAB1.exe моделирования процесса радиометрического контроля, ввести расчетные параметры и удостовериться в правильности (или неправильности) проведенных расчетов.
3. Запустить несколько раз программу с параметрами, несколько отличающимися от оптимальных.
4. Построить график зависимости отношения сигнал/шум от постоянной времени интегрирования при прочих оптимальных параметрах.
5. Описать результаты расчетов и моделирования в отчете.
Контрольные вопросы
1. Физические основы и области применения радиометрии.
2. Назначение и выбор оптимальных параметров коллиматоров.
3. Условие достижения максимума отношения сигнал/шум.
4. Обоснования выбора браковочного уровня.
5. Типы дефектов и способы регистрации радиометрических сигналов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ермолов, И.Н. Методы и средства неразрушающего контроля качества / И.Н. Ермолов, Ю.А. Останин. – М.: Высшая школа, 1988. – 368 с.
2. Неразрушающий контроль. Справочник: в 7 т. / под ред. В.В. Клюева. – Т. 3: Ультразвуковой контроль / И.Н. Ермолов, Ю.В. Ланге. - М.: Машиностроение, 2004.
3. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. В 2-х книгах. Кн. 1 / под ред. В.В. Клюева. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.:Машиностроение, 1986. – 488 с.
4. Добромыслов, В.А. Радиационная интроскопия / В.А. Добромыслов, С.В. Румянцев. – М.: Атомиздат, 1972. – 351 с.
5. Дефектоскоп УД2-12. Руководство по эксплуатации ЩЮ2.068.136 РЭ.
Учебное издание
Ефимов
Валерий Григорьевич
Л
ихачев
Михаил Сергеевич
МЕТОДЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ
Методические рекомендации по выполнению лабораторных работ для студентов специальности 200106 «Информационно-измерительная техника и технологии»
Редактор Соловьёва С.В.
Подписано в печать 27.05.2010. Формат 60´84 1/16
Усл. п. л. - 0,9. Уч.-изд. л. - 1,06
Печать - ризография, множительно-копировальный аппарат «RISO EZ300»
Тираж 50 экз. Заказ 2010-75
Издательство Алтайского государственного
технического университета
656038, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46
Оригинал-макет подготовлен ИИО БТИ АлтГТУ
Отпечатано в ИИО БТИ АлтГТУ
| |
659305, г. Бийск, ул. Трофимова, 27