Вимірювання товщини металевих виробів електромагнітно-акустичним методом з використанням спектральної обробки автокореляційної функції

Размещено на http://www.allbest.ru/

Харківський національний університет радіоелектроніки

УДК 531.7

05.11.15 - метрологія та метрологічне забезпечення

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ВИМІРЮВАННЯ ТОВЩИНИ МЕТАЛЕВИХ ВИРОБІВ ЕМА МЕТОДОМ З ВИКОРИСТАННЯМ СПЕКТРАЛЬНОЇ ОБРОБКИ АВТОКОРЕЛЯЦІЙНОЇ ФУНКЦІЇ

Марченко А.В.

Харків - 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському національному університеті радіоелектроніки

Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор

Руженцев Ігор Вікторович,

Харківський національний університет радіоелектроніки, завідувач кафедри МВТ

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Поджаренко Володимир Олександрович, Вінницький національний технічний університет;

- кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Народницький Геннадій Юрійович, ННЦ “Інститут метрології”.

Провідна установа

Національний технічний університет України "КПІ" (кафедра автоматизації експериментальних досліджень) Міністерства освіти і науки України, м. Київ.

Захист відбудеться “18 ” квітня 2007 р. о 14-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.827.01 у ННЦ “Інститут метрології” (61002, м. Харків, вул. Мироносицька, 42).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки (61166, м. Харків, просп. Леніна, 14).

Автореферат розісланий “16 ” березня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д64.827.01___________________І.Ф. Дем'янков

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Інтенсивний розвиток ультразвукових (УЗ) методів, що є одними з найбільш універсальних і високочутливих при контролі товщини виробів, привело до того, що УЗ товщиноміри стали в даний час найбільш масовими приладами даного призначення.

Дуже актуальне значення в практиці товщинометрії має задача безконтактного вимірювання товщини виробів. Вона важлива для металургійних підприємств, що здійснюють контроль товщини прокату, труб і інших виробів при однобічному доступі до поверхні. Електромагнітно-акустичний (ЕМА) метод вимірювання товщини доповнює контактні УЗ методи в ряді випадків, де застосування останніх неможливе через високу швидкість вимірювань, наявність на поверхні введення УЗ коливань окалини, іржі, а також при вимірюванні товщини виробів, нагрітих до високої температури.

Сьогодні ЕМА методи і пристрої вимірювання товщини виробів інтенсивно розвиваються. Однак їх технічні і метрологічні характеристики часто не задовольняють вимогам промисловості.

У відомих ЕМА товщиномірах, практично, без змін використовувалися технологічні і конструктивні підходи, реалізовані в товщиномірах з п'єзоелектричними перетворювачами. Це, в силу особливостей ЕМА методу збудження і прийому пружних коливань, не дозволило реалізувати його потенційні переваги і не привело до помітного поліпшення їхніх характеристик.

Таким чином, у практиці товщинометрії при використанні ЕМА перетворювачів виникли важливі задачі, зв'язані зі збільшенням чутливості і підвищенням точності вимірювання товщини виробів.

Розвиток ЕМА методів повинен здійснюватися в напрямку використання нових підходів при обробці вимірювальних сигналів, удосконалювання апаратної частини ЕМА приладів, підвищення рівня їх технічних, метрологічних і експлуатаційних характеристик.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до плану наукового напрямку кафедри метрології і вимірювальної техніки Харківського національного університету радіоелектроніки по темі “Розробка інформаційно-вимірювального комплексу для електромагнітного моніторингу навколишнього середовища” (номер держреєстрації 0101U005127).

Мета і задачі дослідження. Мета дисертаційної роботи - розвити теоретичні і практичні основи підвищення точності і чутливості ЕМА товщиномірів.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

- проаналізувати існуючі акустичні методи і засоби вимірювання товщини виробів і дослідити реалізовані в них способи обробки вимірювальних сигналів;

- запропонувати новий спосіб обробки вимірювальних сигналів і реалізувати його імітаційне моделювання;

- теоретично обґрунтувати застосування запропонованого способу для використання в акустичних засобах вимірювальної техніки (ЗВТ) вимірювання товщини виробів;

- провести метрологічні дослідження запропонованого способу обробки і порівняти отримані результати з теоретичними викладеннями.

Об'єкт дослідження - процес реєстрації параметрів пружних коливань, збуджуваних у контрольованому об'єкті, і виділення корисної інформації на фоні шумів.

Предмет дослідження - способи обробки вимірювальних сигналів в акустичних ЗВТ неруйнівного контролю при вимірюванні товщини виробів.

Методи дослідження: теорія радіотехнічних сигналів і оптимальних методів радіоприйому, на основі якої був запропонований новий спосіб обробки вимірювальних сигналів; імітаційне моделювання, що дозволило підтвердити ефективність запропонованого способу; теорія прикладного аналізу випадкових даних, за допомогою якої зроблена оцінка відношення сигнал/шум у часовій і частотній областях; теорія похибок, що дозволила оцінити методичну похибку вимірювання товщини виробів і швидкості поширення УЗ коливань (УЗК); теорія інтегрального і диференціального числення.

Наукова новизна результатів дисертаційної роботи полягає в тому що:

- запропоновано новий спосіб обробки вимірювальних сигналів, заснований на спектральному аналізі автокореляційної функції (АКФ), що включає збудження УЗ механічних коливань у виробі, прийом відбитого від дна виробу сигналу, визначення спектра АКФ, інтервалу між сусідніми спектральними складовими, періоду проходження радіоімпульсів АКФ і в підсумку товщини виробу;

- отримано аналітичні вирази для оцінки відношення сигнал/шум при автокореляційному прийомі, а також при спектральній обробці взаємо- і автокореляційної функцій, обґрунтована висока чутливість способу спектральної обробки АКФ при вимірюванні товщини виробів і швидкості поширення УЗК ЕМА методом;

- установлено діапазон вимірювання товщин, у якому застосування способу спектральної обробки АКФ дозволяє досягти найбільшого відношення сигнал/шум;

- теоретично обґрунтована й експериментально підтверджена висока точність вимірювання товщини виробів і швидкості поширення УЗК при спектральній обробці АКФ.

Практичне значення одержаних результатів. Новий спосіб обробки сигналу вимірювальної інформації, заснований на спектральній обробці АКФ, дозволив створити акустичні товщиноміри і робочі еталони для вимірювання швидкості поширення УЗК у виробі, що мають поліпшені технічні, метрологічні й експлуатаційні характеристики. Результати роботи були впроваджені на ТОВ фірма “Ергос” при розробці і дослідженні макета товщиноміру, що реалізує спектральну обробку АКФ; на ДП “Харківський регіональний науково-виробничий центр стандартизації, метрології і сертифікації” при розробці установки для прецизійного вимірювання швидкості поширення механічних УЗК у виробах, а також у навчальному процесі при проведенні лекцій, практичних занять і лабораторних робіт з курсів “Основи метрології та метрологічного забезпечення”, “Засоби вимірювання неелектричних величин” на кафедрі метрології та вимірювальної техніки Харківського національного університету радіоелектроніки.

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати дисертації були отримані автором самостійно. В опублікованих у співавторстві працях, здобувачу належить: у [1] - систематизація даних про конструкції ЕМА перетворювачів для збудження і прийому об'ємних пружних коливань, а також акустичних коливань, порушуваних і прийнятих під кутом до поверхні металу; у [2]- імітаційне моделювання способу спектральної обробки АКФ і оцінка отриманих результатів; у [3-5] - одержання основних співвідношень, участь в аналізі отриманих результатів.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на: 9-ому міжнародному молодіжному форумі “Радіоелектроніка і молодь у ХХІ столітті” (м. Харків, 2005 р.), 10-ому Ювілейному міжнародному молодіжному форумі “Радіоелектроніка і молодь у ХХІ столітті” (м. Харків, 2006 р.).

Публікації. Основні результати дисертації відображені в 8 друкованих працях, у тому числі: 5 статей у профільних наукових журналах, що входять у перелік ВАК України, 1 патент України, тези в працях 2 науково-технічних конференцій.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел, що містить 110 найменувань, 6 додатків. Робота містить 30 ілюстрацій, 2 таблиці. Загальний обсяг роботи складає 157 сторінки, у тому числі 115 сторінок основного тексту.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи, сформульовано основну мету і завдання досліджень, наведено відомості щодо зв'язку дисертації з планами організації, де виконана робота. Дано стислу анотацію отриманих у дисертації результатів, відзначено їх практичну цінність, наведено дані щодо використання результатів проведених досліджень.

У першому розділі розглянуто основні акустичні методи і пристрої для визначення товщини виробів, що досить широко використовуються в промисловості. Це контактні і безконтактні акустичні методи і пристрої для вимірювання товщини виробів. З безконтактних акустичних методів розглянуті методи, засновані на повітряно-акустичному зв'язку, термо- і оптико-акустичних ефектах, ефектах електричних і електромагнітних полів. В огляді відзначені основні достоїнства і недоліки акустичних методів і засобів вимірювання товщини виробів. Як підсумок аналізу існуючих акустичних методів і засобів вимірювання товщини обрані напрямки теоретичних і експериментальних досліджень і дана постановка задач, розв'язуваних у даній дисертаційній роботі.

Аналіз інформаційних джерел дозволив установити, що практично всі акустичні товщиноміри використовують традиційний контактний спосіб збудження і прийому УЗ імпульсів. У промисловості в основному застосовують резонансні, імпульсно-резонансні і лун-імпульсні УЗ методи вимірювання товщини. Останній з цих методів дістав найбільшого поширення. Лун-імпульсні контактні УЗ товщиноміри відрізняються відносною дешевиною, надійністю, мініатюрністю, широким діапазоном і високою точністю вимірювань. У той же час вони мають істотні недоліки: необхідність застосування контактної рідини; залежність результатів вимірювань від стану поверхні виробу, наявності на ньому покрить і забруднень; неможливість контролю виробів при низьких і високих температурах; низька продуктивність виконання вимірювань.

Усунути значне число недоліків контактного способу вимірювання товщини виробів можливо шляхом ефективного застосування безконтактного ЕМА методу збудження і прийому УЗ імпульсів.

Аналіз інформаційних джерел показав доцільність зміни підходу при конструюванні ЕМА товщиномірів і виявив задачі, рішення яких повинно призвести до значного поліпшення їх характеристик: вимагає істотного пророблення питання застосування сучасних способів обробки інформації, оскільки різні технічні прийоми по поліпшенню конструкції ЕМА товщиномірів не призвели до істотного поліпшення їхньої чутливості і метрологічних характеристик; необхідно виробити рекомендації з оптимізації параметрів зондувальних імпульсів, апріорі оцінити методичну похибку вимірювання товщини виробів при використанні різних способів обробки сигналів вимірювальної інформації, розробити метрологічне забезпечення з урахуванням особливостей ЕМА методу.

У другому розділі досліджені існуючі способи обробки, що реалізовані в кінцевих пристроях акустичних промислових товщиномірів. При проведенні дослідження особлива увага звернена на джерела методичної похибки, завадостійкість і простоту реалізації способів. Запропоновано використання нового способу обробки сигналів при вимірюванні товщини металевих виробів ЕМА методом і проведене імітаційне моделювання зазначеного способу.

Розглянуто вирази деяких сигнальних функцій, що часто застосовуються у радіолокації, з метою аналізу можливості їхнього застосування в товщинометрії. Показано, що застосуванням спеціальних видів внутріімпульсної модуляції чи спеціального внутріімпульсного кодування можна одержати порівняно вузькі сигнальні функції, добитися досить високого відношення сигнал/шум і точності вимірювань. Істотний недолік використання фазоманіпульованих сигналів і сигналів з лінійною частотною модуляцією - складність практичної реалізації, що полягає в необхідності використання спеціалізованих датчиків, генераторів, жорсткості умов оцифровки прийнятого коливання й ін. Частотна вибірковість акустичного тракту також накладає обмеження на використанні зазначених сигналів.

Останні роботи з удосконалювання ЕМА приладів зв'язані з визначенням кореляційного інтеграла з наступним визначенням часу проходження зондувальним імпульсом відстані, що відповідає подвійній товщині виробу:

де N0 - однобічна спектральна щільність шуму n(t);

- коливання, прийняте на кінцевому інтервалі Тr;

- корисний сигнал, прийнятий на фоні адитивного гаусовського білого шуму (на практиці - зондувальний імпульс).

Розташування максимуму функції на часовій осі однозначно зв'язано з часом запізнювання сигналу . При малих відношеннях сигнал/шум даний спосіб має значну похибку і вимагає застосування спеціальних процедур для визначення положень локальних максимумів взаємокореляційної функції (ВКФ).

Показано, що багаторазові відбиття від дна виробу при контролі акустичними методами дозволяють одержати додаткові переваги при використанні автокореляційної обробки:

Запропоновано використання нового способу обробки вимірювальних сигналів, основаного на спектральній обробці кореляційної функції (АКФ чи ВКФ). Спектр періодичної кореляційної функції дискретний, причому інтервал між сусідніми спектральними складовими відповідає частоті проходження радіоімпульсів кореляційної функції. Період кореляційної функції відповідає часу проходження зондувальним імпульсом відстані, рівній подвоєній товщині виробу. При цьому товщину виробу можна визначити, як

де с - швидкість розповсюдження УЗК в об'єкті контролю;

fs - частотний інтервал між сусідніми спектральними піками кореляційної функції.

Для проведення імітаційного модулювання зазначеного способу в роботі запропоновані процедури визначення оптимальних параметрів зондувального імпульсу, значень часу спостереження та частоти дискретизації прийнятих коливань.

Результати імітаційного моделювання взаємо - і автокореляційного прийому, а також спектральної обробки ВКФ і АКФ в системі Matlab представлені на рис. 1.: а - корисний сигнал, що представляє собою послідовність донних імпульсів; б - сума корисного і шумового сигналу; в - ВКФ; г - АКФ; д - спектр ВКФ; є - спектр АКФ.

В цьому розділі також проведено порівняльне імітаційне моделювання взаємокореляційного прийому та способу спектральної обробки АКФ в залежності від вимірювальної товщини та тривалості зондувального імпульсу.

Показано, що спектральна обробка АКФ дозволяє значно підвищити відношення сигнал/шум на малих товщинах (десятки міліметрів).

Результати імітаційного моделювання показали наступні практично важливі особливості спектральної обробки АКФ: не потрібно застосування додаткових спеціальних процедур для одержання інформативного параметра сигналу (значення інтервалу між сусідніми спектральними піками); спостерігається сильна залежність рівня зашумленості спектра АКФ від значення вимірюваної товщини (значення сигнал/шум зі збільшенням товщини виробу різко зменшується); існує можливість поліпшення відношення сигнал/шум зі збереженням задовільної точності вимірювання товщини виробу шляхом збільшення тривалості зондувального імпульсу.

У третьому розділі для виявлення причин появи перешкод значної амплітуди при ударному збудженні ЕМАП і пошуку шляхів усунення їхнього впливу проведене моделювання процесів, що відбуваються в металі при різних способах збудження УЗК, зроблені кількісні оцінки і проведений порівняльний аналіз відношень сигнал/шум для чотирьох варіантів обробки донних сигналів: при взаємо - і автокореляційному прийомі, а також при спектральній обробці ВКФ і АКФ.

Установлено принципи оцінки діапазону вимірювань товщини виробів ЕМА методом. Визначено діапазони вимірювань, у яких застосування того чи іншого способу обробки найбільше прийнятно з погляду одержання найбільшого відношення сигнал/шум. Досліджено залежність діапазону вимірювань від різних факторів - тривалості зондувального імпульсу, довжини реалізації, середнього квадратичного відхилення (СКВ) шумового сигналу.

Для суттєвого поліпшення відношення сигнал/шум запропоновано використання зондувального імпульсу значної тривалості. Показано, що при товщинометрії, для зменшення ступеня загасання у виробі УЗК, період високочастотного заповнення повинний бути якнайбільший (рівний тривалості зондувального імпульсу).

В роботі отримані аналітичні вирази для відношення сигнал/шум при автокореляційному прийомі, а також при спектральній обробці ВКФ та АКФ, і проведено порівняння отриманих залежностей з добре відомим співвідношенням сигнал/шум при взаємокореляційному прийомі ():

а) при автокореляційному прийомі

де - ширина смуги частот білого шуму;

n - кількість донних імпульсів;

- енергія донного радіоімпульсу;

А - амплітуда донного імпульсу

б) при спектральній обробці ВКФ

;

в) при спектральній обробці АКФ

Залежності відношення сигнал/шум від товщини об'єкта контролю при використанні ВКФ і АКФ (4), а також при їх спектральній обробці (5, 6) показані на рис.2 (СКВ шуму =0,2 В, амплітуда корисного сигналу А=0,5 В, швидкість поширення пружних коливань у матеріалі с=3520 м/с, час спостереження r=150 мкс, частота заповнення радіоімпульсу =2 МГц, тривалість імпульсів =1,5 мкс).

Обґрунтовано, що використання АКФ на малих товщинах у порівнянні з ВКФ дає істотний виграш у відношенні сигнал/шум (рис.2). Ефект багаторазових перевідбиттів зондувального сигналу значно підвищує його чутливість (у діапазоні товщин до 20 мм відношення сигнал/шум при використанні АКФ більш ніж у два рази перевищує відношення сигнал/шум при взаємокореляційному прийомі). вимірювальний імітаційний акустичний метрологічний

Доведено, що спектральна обробка АКФ на малих товщинах дозволяє одержати найбільше відношення сигнал/шум (6) за рахунок того, що функція взаємної кореляції між шумом і корисним сигналом у частотній області сумується із сигнальною функцією, збільшуючи загальний корисний ефект (при спектральній обробці АКФ відношення сигнал/шум у діапазоні товщин до 10 мм на порядок вище, ніж при взаємокореляційному прийомі).

Аналіз наведених залежностей свідчить, що отримані вирази для оцінки відношення сигнал/шум цілком підтверджують результати імітаційного моделювання на ЕОМ і дозволяють установити ефективний діапазон вимірювання товщини, тобто діапазон в якому спектральна обробка АКФ дозволить отримати максимальне відношення сигнал/шум в порівнянні з іншими способами обробки вимірювальних сигналів.

Отриманий аналітичний вираз для оцінки верхньої границі ефективного діапазону вимірювання:

Встановлено, що в умовах значних акустичних перешкод верхня границя ефективного діапазону вимірювань складає десятки міліметрів (рис.3), що цілком достатньо для проведення контролю виробів прокатного виробництва. Верхня границя ефективного діапазону може бути істотно збільшена шляхом збільшення тривалості зондувального імпульсу і довжини реалізації (рис.4). Показано, що максимальна глибина прозвучування значно більше розрахованої верхньої границі ефективного діапазону. Тому, якщо вимірювання ведуться в умовах значних акустичних перешкод запропоновано застосовувати комбінований спосіб обробки: до верхньої границі ефективного діапазону - спосіб спектральної обробки АКФ; до максимальної глибини прозвучування - взаємокореляційну обробку.

У четвертому розділі проведені метрологічні дослідження способу спектральної обробки АКФ при вимірюванні товщини металевих виробів та швидкості поширення УЗК з використанням дефектоскопа спеціального призначення ЭМА-SGМ-ХПИ-1. Для адекватної оцінки отриманих результатів докладно розглянуті пристрій і принцип дії дефектоскопа. Розглянуті джерела похибки вимірювання товщини виробів лун-імпульсним методом, зроблена апріорна оцінка методичної похибки та невизначеності вимірювання товщини виробів і швидкості поширення УЗК при спектральній обробці АКФ.

Показано, що при спектральній обробці АКФ у загальному випадку, якщо виключити зовнішні фактори (зміна температури, варіація швидкості звуку в металі й ін.), складовими похибки вимірювань є: інструментальна похибка; невиключений залишок систематичної похибки, що виникає в результаті настроювання вимірювального приладу; і методична похибка, обумовлена дискретизацією сигналу в частотній області.

Отримані аналітичні вираження для апріорної оцінки методичної похибки вимірювань як швидкості поширення УЗК, так і товщини виробів при використанні спектральної обробки АКФ:

а) похибка вимірювання товщини виробів:

де - квантіль нормального розподілу;

- інтервал дискретизації в частотній області;

f - частота проходження радіоімпульсів АКФ;

k - кількість частотних інтервалів, по яких проводиться усереднення

- товщина стандартного зразка, по якому роблять настроювання приладу;

- частота проходження імпульсів АКФ при вимірюванні товщини стандартного зразка.

- похибка визначення .

б) похибка вимірювання швидкості поширення УЗК:

Залежності і (вихідні дані: с=3520 м/с; =10 мкм; =20 мм; тривалість зондувального імпульсу 1 мкс і 2 мкс) при різних з довірчою імовірністю Р=0.95 представлені на рис. 5 і 6 відповідно.

Загальний характер залежностей обумовлений зменшенням похибки при збільшенні значення вимірюваної товщини за рахунок усереднення частотних інтервалів між сусідніми спектральними піками.

Показано (рис. 5, 6), що збільшення тривалості зондувального імпульсу веде до підвищення похибки вимірювань, як товщини, так і швидкості УЗК, що може бути компенсовано збільшенням довжини реалізації.

У зв'язку з тим, що в останні роки в метрологічній практиці ряду розвинених країн велику популярність дістає концепція “невизначеності”, у роботі отримані аналітичні вирази для оцінки невизначеності вимірювання швидкості поширення УЗК і товщини виробів.

Сумарна стандартна невизначеність вимірювання швидкості поширення УЗК

де - стандартна невизначеність оцінки fs, розрахована по типу В;

- стандартна невизначеність оцінки hs, розрахована по типу В.

Сумарна стандартна невизначеність вимірювання товщини виробів способом спектральної обробки АКФ

Результати метрологічних досліджень дефектоскопа спеціального призначення ЭМА-SGМ-ХПИ-1, що реалізує спосіб спектральної обробки АКФ, при вимірюванні товщини стандартних зразків з комплекту КУСОТ-180, виконаних зі сталі 40Х13, у діапазоні від 2 до 40 мм при тривалості зондувального імпульсу =1 мкс, представлені в таблиці 1.

Таблиця 1 - Результати метрологічних досліджень

Найменування параметру	Діапазон вимірювання
1	2	3	4	5	6	7
Дійсне значення товщини зразка hд, мм	2	5	10	20	30	40
Результати спостережень, мм	2,02	5,01	10,01	19,97	30,10	40,09
	2,02	5,00	9,99	20,04	30,07	40,15
	1,99	5,01	9,99	20,02	29,99	40,03
	2,01	5,00	10,01	19,98	29,97	40,02
	1,99	5,00	9,99	19,99	29,95	40,06
	2,01	5,01	9,99	19,97	29,98	39,95
	2,01	4,99	10,01	19,95	29,98	39,95
	2,02	5,00	10,01	19,98	30,03	39,93
	2,01	5,00	9,99	20,02	29,98	39,97
	1,99	4,99	9,99	19,98	29,98	39,93
Відносна похибка , %	1,76	0,35	0,26	0,36	0,37	0,49

Результати державної метрологічної атестації дефектоскопа спеціального призначення ЭМА-SGМ-ХПИ-1, що реалізує спосіб спектральної обробки АКФ, підтвердили правильність результатів метрологічних досліджень (таблиця 1) та апріорної оцінки похибки (рис. 7, 8). Встановлено, що незначна розбіжність апріорної й апостеріорної оцінок похибки обумовлено похибкою самої апостеріорної оцінки, а також неточністю апроксимації як реальної, так і апріорної залежностей.

Встановлено, що перевищення реальної похибки вимірювання як швидкості УЗК, так і товщини зразків, над апріорною оцінкою наприкінці діапазону вимірювань обумовлено наявністю сильних власних шумів ЕМАП, зменшенням відношення сигнал/шум при незначному числі донних імпульсів і, як наслідок, малою кількістю частотних інтервалів, по яких проводиться усереднення.

Аналіз можливостей дефектоскопа ЭМА-SGМ-ХПИ-1 показав, що він не може повною мірою реалізувати всіх переваг способу спектральної обробки АКФ. Наявність сильних когерентних шумів, невеликий час спостереження сильно обмежує можливість його використання для високоточних вимірювань як товщини виробів, так і швидкості поширення УЗК. Разом з тим, зручний інтерфейс, можливість реалізації різних способів обробки вимірювальних сигналів зробив його незамінним для дослідницьких цілей.

Доведено, що спосіб спектральної обробки АКФ дозволяє створювати високоточні акустичні товщиноміри (з похибкою менш 1 % у діапазоні товщин від одиниць до десятків міліметрів) і установки для вимірювання швидкості поширення УЗК (з похибкою менш 0,5 %).

Показано, що спосіб спектральної обробки АКФ в однаковому ступені ефективний при прийомі як подовжніх, так і поперечних УЗ хвиль. Більш того, висока швидкість подовжніх хвиль дозволяє одержати більше, ніж у випадку порушення поперечних хвиль, відношення сигнал/шум за інших рівних умов. Апріорна оцінка похибки вимірювання швидкості УЗК і результати експериментальних досліджень свідчать, що спосіб спектральної обробки АКФ є перспективним при його використанні в еталонних установках для вимірювання швидкості УЗК у широкому діапазоні товщин. Отримані результати експериментальних досліджень свідчать, що установки для вимірювання швидкості поширення УЗК, побудовані на спектральній обробці АКФ, можуть використовуватися як еталони 2-го розряду.

Виходячи з отриманих аналітичних виразів, запропоновано процедуру для оптимального вибору параметрів зондувального імпульсу й умов прийому: установлення границь діапазону вимірювання товщини виробів; розрахунок максимальної границі значення тривалості імпульсу, виходячи з розміру “мертвої” зони і максимальної швидкості поширення УЗК зі спектра контрольованих матеріалів; розрахунок мінімальної границі довжини реалізації виходячи з верхньої границі діапазону вимірювань і умови наявності як мінімум двох донних імпульсів при контролі на матеріалі з найменшою (зі спектра можливих) швидкістю поширення УЗК; установлення границі максимальної похибки вимірювання товщини виробу і/чи швидкості поширення УЗК; коректування тривалості імпульсу і часу реалізації (у разі потреби) виходячи з границь похибок; розрахунок частоти заповнення зондувального імпульсу виходячи з умови рівності періоду заповнення і тривалості імпульсу; розрахунок частоти дискретизації з урахуванням тривалості зондувального імпульсу і частоти його заповнення; розрахунок відношення сигнал/шум при спектральній обробці АКФ і взаємокореляційному прийомі з урахуванням амплітудних обмежень на вході приймача, можливого максимального загасання в об'єкті контролю (для розрахунку береться амплітуда, усереднена за час реалізації) і передбачуваного граничного значення СКВ шумової функції; розрахунок ефективного діапазону вимірювань при спектральній обробці АКФ.

У висновках сформульовано основні наукові та практичні результати дисертаційної роботи.

У додатках наведено програми обробки донних сигналів при вимірюванні товщини виробів і швидкості поширення УЗК, програма і методика метрологічної атестації ультразвукового дефектоскопа ЭМА-SGМ-ХПИ-1, протокол метрологічної атестації дефектоскопа ЭМА-SGМ-ХПИ-1, свідоцтво про державну метрологічну атестацію дефектоскопа ЭМА-SGМ-ХПИ-1, державна повірочна схема для засобів вимірювання швидкості поширення подовжніх ультразвукових хвиль у твердих середовищах.

ВИСНОВКИ

У роботі розглянуті питання подальшого удосконалювання ЗВТ неруйнівного контролю, в основі яких лежить ЕМА принцип збудження і прийому пружних коливань. При цьому для досягнення поставленої мети запропоновані нові принципи обробки вимірювальних сигналів, що дозволило без істотних конструктивних змін значно підвищити рівень технічних, експлуатаційних і метрологічних характеристик УЗ товщиномірів і установок для вимірювання швидкості УЗК. У результаті проведених дисертаційних досліджень отримані наступні основні результати:

1. Розглянуто основні акустичні методи і пристрої для визначення товщини виробів, що досить широко використовуються в промисловості в області неруйнівного контролю. Установлено, що ЕМА метод декларує принципові переваги перед контактними акустичними засобами вимірювання товщини. Показана доцільність пошуку нових способів обробки вимірювальних сигналів при вимірюванні товщини виробів.

2. Запропоновано новий спосіб обробки прийнятих УЗК, заснований на спектральній обробці АКФ. Проведено імітаційне моделювання обробки прийнятих коливань зазначеним способом і зроблений аналіз його результатів. Показано, що спектральна обробка АКФ дозволяє одержати великі відношення сигнал/шум і позбутися від складних процедур визначення локальних максимумів при взаємокореляційному прийомі.

3. Отримано аналітичні вираження і зроблений порівняльний аналіз відношення сигнал/шум при використанні ВКФ і АКФ, а також при їхній спектральній обробці. Показано високу ефективність способу спектральної обробки АКФ на малих товщинах (відношення сигнал/шум у діапазоні товщин до 10 мм на порядок вище, ніж при взаємокореляційному прийомі). Отримано співвідношення для оцінки ефективного діапазону вимірювань товщини способом спектральної обробки АКФ. Проведений аналіз залежності верхньої границі ефективного діапазону від довжини реалізації, тривалості зондувального імпульсу, СКВ адитивного шумового сигналу. Показано, що верхня границя ефективного діапазону при сильній зашумленості донних сигналів (СКВ шуму =0,3 В при амплітуді донних імпульсів А=0,5 В) коливається від 10 до 30 мм.

4. Проведено метрологічні дослідження способу спектральної обробки АКФ. Проаналізовано складові сумарної похибки при вимірюванні товщини лун-імпульсним методом. Зроблено апріорну оцінку похибки вимірювання товщини і швидкості поширення УЗК при використанні способу спектральної обробки АКФ. Отримані результати підтвердили припущення про можливість побудови високоточних акустичних ЗВТ, основаних на спектральній обробці АКФ (при тривалості зондувального імпульсу =1 мкс і часі спостереження =150 мкс, відносна похибка вимірювання товщини виробу в діапазоні від 5 до 50 мм склала менш 1 %, а похибка вимірювання швидкості поширення УЗК _ менш 0,3 %).

5. Отримані теоретичні результати підтверджені експериментально шляхом метрологічних досліджень дефектоскопу спеціального призначення ЭМА-SGМ-ХПИ-1, що реалізує спосіб спектральної обробки АКФ.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Руженцев И.В, Сучков Г.М., Марченко А.В. Электромагнитно-акустический способ измерений. Электромагнитно-акустические преобразователи// Радиотехника.2004. №136. С.62-66.

2. Руженцев И.В., Марченко А.В. Спектральный анализ корреляционной функции при толщинометрии ЭМА методом// Радиотехника.2005. №143. С.30-33.

3. Руженцев И.В., Марченко А.В. О повышении отношения сигнал/шум при использовании электромагнитно-акустического метода измерения толщины// Радиоэлектроника и информатика. 2005. №4. С. 13-16.

4. Руженцев И.В., Марченко А.В. Эффективный диапазон измерения толщины металлических изделий ЭМА методом при спектральной обработке автокорреляционной функции// Радиотехника. 2006. №145. С.141-144.

5. Руженцев И.В., Марченко А.В. Методическая погрешность измерения толщины изделий ЭМА методом при спектральной обработке автокорреляционной функции // Автоматизированные системы управления и приборы автоматики. - 2006. - №134. - С. 39-42.

6. Пат. №75290, Україна, МПК G01B17/02. . Спосіб вимірювання товщини виробів / Марченко А.В., Руженцев И.В.; Харківський національний університет радіоелектроніки - № 20041008412; Заявл. 18.10.04; Опубл.: Промислова власність. Офіційний бюлетень. 2006. - №3.

7. Марченко А.В. Модификация корреляционного анализа при толщинометрии ЭМА методом// 9-й международный молодежный форум “Радиоэлектроника и молодежь в ХХI веке”: Сб. материалов форума. - Харьков: ХНУРЭ, 2005.

8. Марченко А.В. О повышении точности измерения толщины металлических изделий ЭМА методом // 10-й юбилейный международный молодежный форум “Радиоэлектроника и молодежь в ХХI веке”: Сб. материалов форума. - Харьков: ХНУРЭ, 2006. - С. 66.

АНОТАЦІЯ

Марченко А.В. Вимірювання товщини металевих виробів ЕМА методом з використанням спектральної обробки автокореляційної функції. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.15 - метрологія та метрологічне забезпечення. - Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2007.

Робота присвячена удосконалюванню засобів вимірювальної техніки неруйнівного контролю, в основі яких лежить електромагнітно-акустичний (ЕМА) принцип збудження і прийому пружних коливань.

У роботі розглянуті основні акустичні методи і пристрої для визначення товщини виробів; показана доцільність пошуку нових способів обробки вимірювальних сигналів при вимірюванні товщини виробів ЕМА методом; запропонований новий спосіб обробки вимірювальних сигналів, заснований на спектральній обробці автокореляційної функції (АКФ); отримані аналітичні вираження і зроблений порівняльний аналіз відношення сигнал/шум при використанні взаємокореляційної функції (ВКФ) і АКФ, а також при їх спектральній обробці; обґрунтована висока ефективність способу спектральної обробки АКФ на малих товщинах; отримано співвідношення для оцінки ефективного діапазону вимірювань товщини способом спектральної обробки АКФ; проаналізовані складові сумарної похибки при вимірюванні товщини лун-імпульсним методом; зроблена апріорна оцінка похибки вимірювання товщини і швидкості поширення УЗК при використанні способу спектральної обробки АКФ; обґрунтована можливість побудови високоточних акустичних засобів вимірювальної техніки, основаних на спектральній обробці АКФ.

Достовірність результатів підтверджується експериментальними дослідженнями та впровадженнями.

Ключові слова: акустичні методи контролю товщини, електромагнітно-акустичний метод, спосіб обробки вимірювальних сигналів, спектральна обробка автокореляційної функції.

Марченко А.В. Измерение толщины металлических изделий ЭМА методом с использованием спектральной обработки автокорреляционной функции. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.15 - метролоия и метрологическое обеспечение.- Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Харьков, 2007.

Работа посвящена совершенствованию средств измерительной техники неразрушающего контроля, в основе которых лежит электромагнитно-акустический (ЭМА) принцип возбуждения и приема упругих колебаний.

Рассмотрены основные акустические методы и устройства для определения толщины изделий, которые достаточно широко используются в промышленности в области неразрушающего контроля. Установлено, что ЭМА метод, несмотря на низкую чувствительность, декларирует принципиальные преимущества перед контактными акустическими средствами измерения толщин. Показана целесообразность поиска новых способов обработки измерительных сигналов при измерении толщины изделий ЭМА методом.

Исследованы существующие способы обработки измерительных сигналов, используемые как в радиолокации, так и реализованные в оконечных устройствах акустических промышленных толщиномеров. Исследована возможность адаптации радиолокационных способов обработки к акустической толщинометрии. При проведении анализа особое внимание обращено на источники методической погрешности, помехоустойчивость и простоту реализации способов. Предложен новый способ обработки принятых ультразвуковых колебаний (УЗК), основанный на спектральной обработке автокорреляционной функции (АКФ). Проведено имитационное моделирование обработки принятых колебаний указанным способом и сделан анализ его результатов.

Для выявления причин появления помех значительной амплитуды при ударном возбуждении ЭМА преобразователей (ЭМАП) и поиска путей устранения их влияния проведено моделирование процессов, происходящих в металле при различных способах возбуждения УЗК, сделаны количественные оценки и проведен сравнительный анализ отношений сигнал/шум для четырех вариантов обработки донных сигналов: при взаимо- и автокорреляционном приеме, а также при спектральной обработке взаимокорреляционный функции (ВКФ) и АКФ. Установлены принципы оценки диапазона измерений толщины изделий ЭМА методом. Определены диапазоны измерений, в которых применение того или иного способа обработки наиболее приемлемо с точки зрения получения наибольшего отношения сигнал/шум. Исследована зависимость диапазона измерений от влияющих факторов - длительности зондирующего импульса, длины реализации, среднего квадратического отклонения (СКО) шумового сигнала. Обоснована высокая эффективность способа спектральной обработки АКФ на малых толщинах.

Проведены метрологические исследования способа спектральной обработки АКФ при измерении толщины металлических изделий и скорости распространения УЗК с использованием дефектоскопа специального назначения ЭМА-SGM-ХПИ-1. Для адекватной оценки полученных результатов подробно рассмотрены устройство и принцип действия дефектоскопа. Рассмотрены источники погрешности измерения толщины изделий эхо-импульсным методом, сделана априорная оценка погрешности измерения толщины изделий и скорости распространения УЗК при спектральной обработке АКФ с различными вариантами определения частотного интервала между соседними спектральными составляющими АКФ. Показано, что на основе способа спектральной обработки могут строиться высокоточные акустические толщиномеры, а установки для измерения скорости распространения УЗК использоваться в качестве эталонных.

Ключевые слова: акустические методы контроля толщины, электромагнитно-акустический метод, способ обработки измерительных сигналов, спектральная обработка автокорреляционной функции.

Marchenko A.V. Measurement of metal products thickness by EМА method with use of spectral processing of autocorrelation function. - Manuscript.

Thesis for a candidate of technical sciences degree by specialty 05.11.15 - metrology and metrological maintenance.-Kharkov National University of Radio Electronics, Kharkov, 2007.

Work is devoted to perfection of measuring technics of not destroying control, based on electromagnetic-acoustic (EМА) principle of excitation and reception of elastic fluctuations.

In work the basic acoustic methods and devices for definition of products thickness are considered; the usefulness of new ways search of measuring signals processing is shown at measurement of thickness of products by EМА method; the new way of measuring signals processing, based on spectral processing of autocorrelation function (АCF) is offered; analytical expressions are received and the comparative analysis of relations signal / noise is made at use cross-correlation function (CCF) and АCF, and also at their spectral processing; high efficiency of АCF spectral processing on small thickness is proved; ratio for an estimation of an effective range of thickness measurements are received at АCF spectral processing; components of a sum error are analysed at measurement of thickness by an echo - pulse method; the aprioristic estimation of error of thickness measurement and ultrasonic fluctuations distribution speed is made at use of АCF spectral processing; the opportunity of construction of precision acoustic measuring technics constructed on the basis of spectral processing АCF is proved.

The authenticity of the dissertation outcomes proves out by experimental researches and results of their introduction.

Key words: an acoustic methods of thickness monitoring, a electromagnetic-acoustic method, a way of measuring signals processing, spectral processing of autocorrelation function.

Размещено на Allbest.ru

...