УДК 620.179.16
НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ И ПОСТРОЕНИЕ ПРОФИЛЯ ДОННОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ПОМОЩИ МЕТОДОВ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ТОМОГРАФИИ
Кристоф Швабович, В.А. Суворов
Представлена технология проведения у.з. томографии с целью определения толщины, поиска и обнаружения координат дефектных зон в бетонных конструкциях при одностороннем доступе. Пошагово описан процесс построения томограмм. Представлены результаты, полученные при помощи текущей и предыдущей версии томографа. Получены томограммы бетонных образцов с заложенными моделями дефектов и без них. Результаты с меньшим уровнем шумов получены при помощи текущей версии томографа. Показана необходимость обработки множества сигналов с целью диагностики и мониторинга бетонных объектов.
Ключевые слова: бетон, неразрушающий контроль, у.з. контроль, у.з. томография, SAFT.
1. ВВЕДЕНИЕ
В строительной практике часто бывает необходимо определить толщину бетона или обнаружить дефекты в объектах, доступных только с одной стороны. Расположение объекта контроля зачастую делает невозможным проведение разрушающих испытаний, таких, например, как высверливание отверстий. Разрушающие испытания также неприменимы в тех случаях, когда необходимо определить не только толщину бетонного объекта с односторонним доступом, но также ее распределение по всей протяженности или площади. Разрушающие испытания достаточно неэффективны или даже невозможны, когда объект контроля находится в контакте, например, с водой. Такими объектами могут быть плиты, стены, тюбинги тоннелей и другие.
Методы акустического неразрушающего контроля все чаще применяются при диагностике объектов строительства [1, 4—6, 9, 10], а для решения вышепо-ставленных задач наиболее полезны могут быть методы у.з. томографии [11, 21].
Основываясь на результатах своих исследований [7, 8, 12, 20, 21], авторы предлагают использовать последние достижения у.з. томографии для исследования бетона. В данной работе описаны теоретические аспекты техники и процесс построения томограмм. Также представлено сравнение текущей и предыдущей версий у.з. томографа. Сравнение проводится с использованием стандартных образцов, изготовленных в лабораторных условиях.
2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
Неразрушающий контроль бетона с помощью метода у.з. томографии рассмотрен в [2, 3, 15—18, 22]. В [2] у.з. метод томографии рекомендуется также для обнаружения дефектов в бетонных конструкциях. В [23] описано обнаружение неоднородностей в горизонтально сформированных бетонных конструкциях методом у.з. диагностики с применением датчиков с точечным контактом. Способ идентификации неоднородностей и макротрещин в бетонных объектах эхометодом предложен в [19]. В [13, 14, 24] для этой же цели предлагается использование метода импакт-эхо.
Опыт авторов показывает, что методы у.з. томографии могут быть применимы для контроля бетонных объектов. Технология позволяет определять толщину и обнаруживать дефекты в конструкциях толщиной до 2500 мм при условии одностороннего доступа.
Кристоф Швабович, ассистент профессора. Вроцлавский технологический университет. Польша. E-mail: k.schabowicz@pwr.wroc.pl
Вячеслав Андреевич Суворов, ведущий специалист ООО "Акустические Контрольные Системы". Москва. Тел. +7-926-337-02-30. E-mail: suvorov@acs-service.ru; v.a.suvorov@gmail.com
Учитывая, что предложенный метод на данный момент применяют не повсеместно, приведено описание его основных положений и используемого оборудования.
3. ОПИСАНИЕ МЕТОДА УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ТОМОГРАФИИ 3.1. Общие положения
На рис. 1а, б представлены соответственно предыдущая и текущая версии у.з. томографа, состоящего из многоэлементной антенной решетки и ноутбука со специализированным программным обеспечением. В текущей версии томографа процессорный блок, обеспечивающий построение томограмм, встроен в корпус антенной решетки.
Ноутбук со специализированным ПО
б
Антенная решетка
Антенная решетка со встроенным роцессорным блоком
Рис. 1. Ультразвуковой томограф: а — предыдущая версия; б — текущая версия.
На рис. 2 показана многоэлементная антенная решетка с привязкой к координатной системе.
Технология контроля, реализованная в томографе, основана на принципе цифровой фокусировки антенной решетки и подробно описана в [18]. Метод состоит в последовательном и независимом зондировании объекта контроля (ОК) каждым элементом антенной решетки (АР), раздельном приеме у.з. сигналов независимо каждым элементом АР и использовании всех принятых реализаций при реконструкции изображения путем пространственно-временной их обработки в вычислительном блоке прибора.
Для построения каждой томограммы выполняется
Рис. 2. Многоэлементная антенная решетка с привязкой к координатной оси.
1 2 3 1 } 12 ■ ■ 1II■!■■ |||
- илХ 2 0 х] % 1 х X и А 1,12 А
следующая последовательность действий. Сначала зондирующий импульс генератора поступает на первый канал и тот излучает в объект контроля поперечную у.з. волну. Благодаря тому, что применяемые в антенной решетке преобразователи обладают малым пятном контакта (порядка 2 мм2 каждый), волна распространяется в широком диапазоне углов ±90°, как показано на рис. 3.
Рис. 3. Диаграмма направленности волн различного типа: а — возбуждение продольной волны (синяя линия); бив — возбуждение поперечной волны
(красная линия) [15, 17].
Одновременно с этим второй канал АР включается на прием и регистрирует все у.з. колебания, приходящие из объекта контроля в течение времени, достаточного для прохождения ультразвуком пути до максимально обнаруживаемого отражателя и обратно. А-скан, полученный таким образом от первой пары элементов, сохраняется в оперативной памяти процессора.
Затем первый канал вновь генерирует такие же колебания и посылает в объект контроля у.з. волну, все отражения которой теперь регистрируются третьим каналом в виде А-скана и также сохраняются в памяти прибора. Аналогичным образом получаются и сохраняются сигналы от пар 1—4, 1—5, 1—6...1—12. Затем на излучение начинает работать второй канал, остальные же по очереди подключаются на прием. При этом первым каналом сигнал уже не принимается, поскольку реализации 1—2 и 2—1 идентичны вследствие принципа взаимности.
После второго канала передатчиком становится третий и так далее, при этом каналы с порядковым номером меньшим, чем текущий номер передатчика, в приеме сигнала уже не участвуют.
Таким образом, для независимого зондирования и приема у.з. колебаний последовательно задействуются все п = 12 элементов АР. С учетом того, что в томографе не используется совмещенный режим, общее количество реализаций N может быть вычислено по формуле
п -(п -1) 12 -11
N = —^-= = 66. (1)
После сбора всех А-сканов процессор производит построение томограммы на экране прибора. В данном случае под томограммой (или 5-сканом) понимается двумерное цветное изображение, представляющее информацию об отражающей способности участка объекта контроля, расположенного под антенной решеткой в плоскости, перпендикулярной поверхности сканирования и проходящей через середину антенной решетки, как показано на
Рис. 4. Антенная решетка в координатной системе: а — В-скан; б — В-, С- и О-сканы.
рис. 4. Также на нем приведено взаимное расположение В-, С- и О-сканов, которые могут быть получены при помощи томографа и специализированного программного обеспечения.
3.2. Построение томограмм
Каждая точка томограммы несет в себе информацию об отражающей способности определенного элемента объема контролируемого объекта. Процесс построения каждой точки на томограмме из полученных А-сканов состоит из этапов, представленных на блок-схеме (рис. 5) и описанных ниже.
Рис. 5. Блок-схема последовательности построения томограммы.
1. Определение времени задержки, соответствующего точке на каждом из 66-ти А-сканов.
Примем за начало координат точку, расположенную на поверхности объекта в месте установки геометрического центра антенной решетки. Точ -ки, расположенные справа от нуля, будут иметь положительную горизонтальную координату, слева — отрицательную. По оси, направленной перпендикулярно в глубь объекта, будем отсчитывать координату по глубине, которая будет иметь только положительные значения.
Пусть некоторая точка А имеет горизонтальную координату х и координату по глубине г, как показано на рис. 2. Тогда на А-скане от пары элементов г и ] (г — передатчик, ] — приемник) отражение от точки А будет иметь задержку
г, =
V (х - X )2 + г2 +у1 (х - х} )2
(2)
где с — скорость распространения поперечной у.з. волны в материале объекта контроля (рис. 6).
2. Выделение на каждом А-скане участков с задержкой г и длительностью х , равной зондирующему импульсу.
А
А
К 1-1..........,-....-«
1А 1 х и
Рис. 6. Время задержки отраженного импульса.
Представим А-скан от пары г, ] в виде функции и(1), г е [0, 1тах], где гтах — время прихода эхосигнала от максимально удаленного обнаруживаемого элемента. В рассматриваемом случае 1тах составляет 2 мс. Интересующий нас участок этой функции будет заключаться в интервале
от г = г. . до 1 = г.
х (см. рис. 6).
с
и
А
г
А
х
и
и
А
1
1
А
3. Синфазное сложение всех выделенных участков
иХ0 = ( + , ' е [0, хи].
(3)
¿=1 у =1
Результирующий сигнал детектируется, по нему строится огибающая, после чего определяется ее максимум. Получившееся значение как раз и определяет отражательную способность точки А (рис. 7).
66А-сканы
+
4 =
и.
А
I
Рис. 7. Получение огибающей суммированного сигнала и.
4. Назначение цвета каждому получившемуся значению максимума огибающей сигнала иА.
На данном этапе цвет каждому значению максимума ставится в соответствии цвету из принятой шкалы: чем выше это значение, тем ближе к красному цвету, чем ниже значение — тем ближе к черному.
5. Построение томограммы.
Последовательно выполняя действия пунктов 1—4 для каждой точки визуализируемого объема, томограф строит цветное изображение, отображаемое на экране. Данный принцип построения изображения использован как в предыдущей, так и в текущей версии томографа.
3.3. Сравнение предыдущей и текущей версий томографа
На данный момент доступны две версии у.з. томографа
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.