2. Nội dung và ý nghĩa đề tài
3.4THIẾT BỊ DÙNG TRONG KỸ THUẬT TIẾP XÚC ÂM DẠNG NHÚNG
Vấn đề cốt lõi đối với kỹ thuật tiếp xúc âm dạng nhúng là luơn cĩ sự hiện diện của một mơi trường liên tục giữa quãng đường truyền âm của biến tử và vật kiểm tra (ở đây là nước). Điều kiện này được duy trì bằng một số thiết bị được nêu ra dưới đây. Trong khi thực hiện nhúng thì đầu dị và vật thể kiểm tra đều được nhúng hồn tồn trong một bồn nước. Đây là kỹ thuật được sử dụng phổ biến nhất trong các kỹ thuật tiếp xúc âm dạng nhúng, ngồi ra cịn cĩ các kỹ thuật tiếp xúc âm khác cũng hay được dùng, đặc biệt là kỹ thuật phun nước.
Giá thành của một hệ thống kiểm tra siêu âm tăng lên theo sự phức tạp của các thiết bị dùng để tạo tiếp xúc âm. Do đĩ, quyết định chi phí trong việc lựa chọn một hệ thống kiểm tra siêu âm dạng nhúng phải được cân nhắc kỹ dựa trên mục đích của quy trình kiểm tra. Bất kỳ những thiết bị tạo tiếp xúc âm nào đề cập dưới đây đều cĩ thể dùng được trong quá trình kiểm tra tự động.
3.4 1 BỒN NHÚNG
Phương pháp tạo tiếp xúc âm giữa đầu dị và vật thể kiểm tra bằng cách nhúng chìm cả đầu dị và vật thể kiểm tra vào trong một bồn nước đã được sử dụng trong kiểm tra siêu âm kể từ những năm 1940. Trong những năm 1980 trở lại đây thì việc sử dụng các bồn nhúng trong triểm tra siêu âm tăng lên đáng kể cùng với sự phát triển của các hệ thống kiểm tra siêu âm tự động.
Một hệ thống nhúng điển hình gồm cĩ một máy quét được lắp trên một bồn nhúng và đầu dị được dịch chuyển liên tục ít nhất theo hai hướng vuơng gĩc với nhau hoặc bằng hay tay hay tự động theo một chương trình đã lập sẵn. Một thiết bị cho phép ta điều chỉnh được các gĩc phát chùm tia siêu âm và khoảng cách giữa đầu dị và vật thể kiểm tra điều chỉnh được từ xa. Hệ thống một máy quét kiểm tra cùng với một bồn nhúng được biểu diển trong hình 3-2
Bồn nhúng cĩ thể được dùng cho việc kiểm tra các vật thể cĩ nhiều hình dạng khác nhau bao gồm các vật thể dạng tấm, khung và các vật thể mặt cong. Một máy tính dùng để điều khiển hệ thống theo những hình dạng phức tạp của vật thể bằng cách thay đổi gĩc phát của đầu dị để giữ cho gĩc tới của chùm tia siêu âm khơng thay đổi.
Quá trình kiểm tra siêu âm dạng nhúng cho các sản phẩm, chi tiết cĩ tiết diện ngang khơng đổi như các loại ống được đơn giản hĩa để tránh được việc sử dụng các loại bồn nhúng lớn giá thành cao. Các loại vật thể này được đặt xuyên qua các bồn nhúng ngắn cĩ hai cửa sổ vừa khít với mặt cắt ngang của vật thể (hình 3-3). Để tránh bị rị rỉ nước thì trên hai cửa sổ ta đặt hai tấm joint bằng cao su vào giữa khe hở của vật thể kiểm tra và cửa sổ. Sau khi đặt vật thể kiểm tra qua hai cửa sổ thì mực nước trong bồn nhúng dâng lên cao hơn đầu dị và khi đĩ ta cĩ thể thực hiện kiểm tra.
___________________________________________________________________________________ 58
3.4.2 THIẾT BỊ TẠO CỘT NƯỚC (BUBBLER DEVICE):
Thiết bị này được biết bao gồm một biến tử siêu âm (đầu dị) vàø một cột nước bơm cưỡng bức. Vật thể kiểm tra được đặt bên trên cột nước đối diện với đầu dị. Thiết bị tạo cột nước giữ cho dịng nước khơng đổi phun qua khe hở giữa ống nối tạo cột nước (xem hình 3-4) và vật thể kiểm tra. Đầu dị đặt trong thiết bị phải được thiết kế sao cho tạo ra gĩc tới của chùm tia siêu âm như mong muốn.
Đối với các quá trình kiểm tra liên tục, tốt hơn là ta đặt thiết bị tạo cột nước nằm dưới đáy của vật thể kiểm tra. Đối với dịng nước yếu thì cách bố trí
Hình 3-3 . Bồn nhúng nhỏ để quét kiểm tra các vật thể cĩ tiết diện ngang khơng đổi.
này dễ đảm bảo rằng vùng giữa đầu dị và vật thể kiểm tra luơn đầy nước. Khi vật thể kiểm tra được đặt nằm dưới thiết bị tạo cột nước thì phải cần đến một dịng nước mạnh để đẩy bọt khí ra khỏi hệ thống. Như biểu diễn trong hình 3-4, nước được cung cấp đến khoang tạo cột nước thơng qua một ống nối. Nếu điều này được thực hiện tại một áp suất đủ mạnh, thì một đệm nước được hình thành và thiết bị tạo cột nước sẽ trượt trên vật kiểm tra mà khơng cần tiếp xúc với bề mặt của nĩ.
Thiết bị tạo cột nước được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng thực tế. Ví dụ, một thiết bị tạo cột nước được gắn trên một đầu quét cầm tay để thực hiện việc kiểm tra các ống thủy tinh/epoxy bằng kỹ thuật sĩng dọc. Phần đáy của thiết bị tạo cột nước được gia cơng cơ khí để khớp với đường kính ngồi của ống và bộ gá được thiết kế để giữ cho thiết bị ở một vị trí ổn định và gĩc quét khơng đổi trong quá trình kiểm tra.
3.4.3 THIẾT BỊ PHUN NƯỚC (A SQUIRTER DEVICES)
Nếu cĩ áp suất thích hợp, một đầu phun nước cĩ thể tạo ra một vùng khơng tiếp xúc giữa đầu dị và vật kiểm tra, bằng chất tiếp âm trên một khoảng rộng 120 mm hoặc lớn hơn nữa. Sự nghiên cứu đặc biệt về thủy động lực học được sử dụng để thiết kế đầu phun nước sao cho sự rối loạn và sự hình thành bọt khí là thấp nhất. Tính năng này rất quan trọng đối với các quá trình kiểm tra tự động với tốc độ cao và lúc đĩ bộ điều chỉnh gĩc đầu dị cĩ thể đụng vào các bề mặt khơng mong muốn hay đụng vào một chỗ nhơ ra của vật kiểm tra. Kỹ thuật kiểm tra siêu âm bằng cách phun nước này cĩ một ưu điểm so với quá trình kiểm tra siêu âm dạng nhúng thơng thường khi kiểm tra các cấu kiện lớn khơng thể nhúng trọn vào trong một bồn nhúng được. Quá trình tiếp âm được duy trì bằng cách luơn tạo áp suất cho cột nước và nước sẽ ráo hết sau khi đập vào vật thể kiểm tra. Hình vẽ 3-5a mơ tả một thiết bị phun tạo nước trong kỹ thuật siêu âm nhúng.
___________________________________________________________________________________ 60 Các thiết bị tiếp âm phun nước được sử dụng nhiều trong ngành cơng nghiệp hàng khơng trong đĩ cĩ một số chi tiết máy cĩ cấu trúc rỗng kín bên trong. Điều này làm cho vật thể nổi lên trên mặt nên khơng thể thực hiện việc nhúng chìm chúng để kiểm tra được. Hơn nữa, nước cĩ thể thấm sâu vào bên trong các cấu trúc như thế và cĩ thể gây ra sự ăn mịn về sau này.
Vịi phun nước tạo ra nhiều xung phản hồi nhiễu động ngay tại điểm tiếp xúc phía sau xung phản hồi mặt trên, ngay cả khi nước phun ra đều. Những xung phản hồi này đơi khi làm cho vịi phun khơng tạo được sự tiếp xúc âm cần thiết đối với kỹ thuật xung phản hồi. Các vịi phun nước kiểu này thường được dùng nhiều trong kỹ thuật kiểm tra siêu âm nhúng dạng truyền qua, trong đĩ nước phun ra tác dụng lên cả hai phía vật thể kiểm tra (hình 3-5b)
Khi sử dụng các vịi phun nước trong kỹ thuật siêu âm xung phản hồi, thì đáp ứng siêu âm rất nhạy cảm với sự thay đổi gĩc tới của chùm tia siêu âm. Để đảm bảo tỷ số tín hiệu / nhiễu thoả mãn thì nước phun ra phải nằm trong giới hạn
20 so với pháp tuyến của bề mặt vật thể kiểm tra. Bề mặt vật thể kiểm tra cần
phải nhẵn và khơng cĩ các vết xước hoặc gợn sĩng, tuy nhiên rất khĩ kiểm tra được các tấm composite
3.4.4 ĐẦU DỊ BÁNH XE :
Đầu dị bánh xe (xem hình 3-6 & 3-7) bao gồm một bánh xe bằng plastic được bơm đầy chất tiếp âm lỏng dưới một áp suất nào đĩ. Trong quá trình kiểm tra siêu âm, bánh xe lăn trên vật thể kiểm tra và duy trì sự tiếp xúc âm liên tục giữa vật kiểm tra và đầu dị. Đầu dị được gắn cố định ở trục của bánh xe và cách bề mặt của bánh xe khoảng vài milimetre. Đầu dị cĩ thể điều chỉnh được để tạo ra gĩc tới thích hợp làm phát sinh sĩng ngang (sĩng trượt) trong vật thể kiểm tra. Gĩc giữa mặt phẳng tới và hướng quay của đầu dị cĩ thể được điều chỉnh đến bất
Quá trình kiểm tra bằng đầu dị bánh xe được thực hiện bằng cách cho đầu dị lăn trên vật kiểm tra với một áp lực nhỏ, bằng tay hoặc tự động. Vỏø bánh xe tạo ra các xung phản xạ cần thiết để phân biệt với những xung phản xạ từ vật thể kiểm tra.
3.4.5 THIẾT BỊ NÊM GẮN ĐẦU DỊ
Hình 3-6 : Đầu dị bánh xe
___________________________________________________________________________________ 62 Nêm được gắn vào phía trước của biến tử siêu âm, được chế tạo bằng cao su hoặc plastic sẽ bao kín xung quanh phía trước đầu dị siêu âm để duy trì sự truyền sĩng âm trong nước giữa đầu dị và vật thể kiểm tra (như trong đầu dị bánh xe).
Nêm là một chi tiết làm bằng cao su hình giống cái ly được gắn chặt với đầu dị và trong đĩ được đổ đầy chất lỏng (xem hình 3-8). Cĩ thể sử dụng nêm này gắn vào đầu dị phẳng hoặc đầu dị hội tụ, gĩc tới của chùm tia cĩ thể điều chỉnh được bằng thiết bị chỉnh gĩc gắn trên biến tử .
3.5 CÁC ĐẶC TÍNH CỦA MƠI TRƯỜNG TIẾP ÂM NƯỚC
3.5.1 SỰ SUY GIẢM TẦN SỐ : (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Nước là một mơi chất tiếp âm làm biến dạng tín hiệu truyền ở các dải tần số cao, tại đĩ năng lượng của sĩng siêu âm bị suy giảm đáng kể và tần số đỉnh của một tín hiệu cĩ dải tần rộng bị giảm xuống. Khi khơng tính đến sự suy giảm do khúc xạ thì hệ số suy giảm cĩ thể được biểu diễn theo phương trình sau :
A = A0.exp(-α.fn.X) (3)
Trong đĩ :
X = Quãng đường truyền âm (m). f = Tần số (Hertz).
n = Số mũ của tần số phụ thuộc vào chất tiếp âm.
α = Tần số phụ thuộc vào hệ số suy giảm biên độ của chất tiếp âm
(neper*m-1*Hzn).
A0 = Biên độ ban đầu chưa bị suy giảm.
A = Biên độ bị suy giảm.
Lưu ý rằng : Hệ số suy giảm cĩ đơn vị là dB.m ở một tần số riêng: dB.m =
+8,6859αfn. Giá trị của α đối với nước là 24×10-15 neper*m-1*Hz2 và nĩ phụ
thuộc vào nhiệt độ và độ sạch của nước.
Biểu thức dưới đây được sử dụng cho sự suy giảm tần số khi n = 2. 1 X 2 f f 02 Peak = α ∇ + (4) Trong đĩ :
f0 = Tần số đỉnh ban đầu chưa bị suy giảm (Hertz).
∇ = f0* phần trăm bề rộng dải tần số/236.
Phần trăm bề rộng dải tần số (-6dB) là từ một dải phổ tần số khơng bị suy giảm. Quãng đường truyền sĩng âm X trong phương trình 4 là quãng đường để cho tín hiệu phát ra từ đầu dị đi đến vật thể kiểm tra và phản xạ ngược trở lại. Bề rộng dải tần số liên quan đến bề rộng của một phổ xung phản hồi trong một quá trình kích phát xung. Ví dụ như sự suy giảm 5% được quan sát thấy khi một tín hiệu phát ra từ một đầu dị cĩ tần số 25MHz bị phản xạ từ vật thể kiểm tra đặt cách đầu dị 12,7mm cùng với bề rộng dải tần số là 50%.
Khi sự suy giảm trở nên quá lớn, thì phải kiến nghị thay nước dùng làm mơi trường tiếp âm cĩ vận tốc cao, sự hấp thụ thấp. Mơi trường tiếp âm này được coi như là một mơi trường liên kết liên tục giữa vật kiểm tra và đầu dị.
3.5.2 VẬN TỐC SĨNG SIÊU ÂM TRONG MƠI TRƯỜNG NƯỚC
Vận tốc của sĩng âm truyền trong nước là một hàm biến thiên theo nhiệt độ. Phương trình liên hệ giữa vận tốc sĩng siêu âm truyền trong nước sạch đối với nhiệt độ của nĩ là :
Vfw = 1,410 + 4,21T – 0,037T2 (5)
Trong đĩ :
Vfw = Vận tốc sĩng siêu âm truyền trong nước sạch (m/s).
T = Nhiệt độ của nước (0C).
Các hệ số phụ khác như áp suất và độ mặn sẽ làm tăng vận tốc của sĩng âm. Những điều kiện này giữ một vai trị quan trọng khi việc kiểm tra được thực hiện trong nước biển.
Trong các điều kiện như thế thì cần phải thêm vào một hệ số bổ chính được cho dưới đây :
Vsw = Vfw + 1,1S + 1,8*10-5d (6)
___________________________________________________________________________________ 64
Vsw = Vận tốc sĩng siêu âm truyền trong nước muối (m/s).
S = Độ mặn của nước (phần ngàn). d = Độ sâu nằm dưới mặt nước (m).
Ta thường dùng thuật ngữ vận tốc nước tiêu chuẩn để chỉ vận tốc là 1,5km/s. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Giá trị này tương ứng với nước nằm ở gần bề mặt tại nhiệt độ 150C (600F) và độ
mặn là 32 phần ngàn ở độ sâu 1m.
3.5.3 SỰ SUY GIẢM SĨNG SIÊU ÂM TRONG NƯỚC
Sự suy giảm sĩng siêu âm trong nước là một hàm thay đổi theo nhiệt độ. Những giá trị thực nghiệm của sự suy giảm sĩng siêu âm đối với nhiệt độ được liệt kê trong bảng 1. Sự suy giảm sĩng siêu âm trong nước cũng thay đổi theo áp suất. Những giá trị của sự suy giảm theo hàm áp suất được cho trong bảng 2
Bảng 1 : Sự suy giảm sĩng siêu âm trong nước theo một hàm nhiệt độ.
Nhiệt độ Hệ số suy giảm
0C (0F) Neper*m-1*Hz-2 10-12dB*m-1*Hz-2 0 (32) 56,9 0,494 5 (40) 44,1 0,383 10 (50) 36,1 0,313 15 (60) 29,6 0,257 20 (68) 25,3 0,219 30 (86) 19,1 0,165 40 (104) 14,6 0,127 50 (122) 12,0 0,104 60 (140) 10,2 0,089 Bảng 2 : Sự suy giảm sĩng siêu âm trong nước theo một hàm của áp suất ở nhiệt
độ 300
Áp suất
MPa (được làm trịn), (khí quyển)
Hệ số suy giảm (10-15 neper*m-1*Hz-2) 0 18,5 50 (500) 15,4 100 (1000) 12,7 150 (1500) 11,1 200 (2000) 9,9
3.6 CÁC THAM SỐ SỬ DỤNG TRONG QUÁ TRÌNH KIỂM TRA SIÊU ÂM NHÚNG - XUNG PHẢN HỒI NHÚNG - XUNG PHẢN HỒI
3.6.1 Phân tích tham số :
Những hệ thống kiểm tra siêu âm dạng nhúng dùng xung phản hồi cĩ thể sử dụng bốn tham số sau đây để phát hiện và xác định đặc trưng của các bất liên tục: (1) Biên độ xung phản hồi đáy, (2) biên độ xung phản hồi dị thườngï, (3) thời gian truyền đo được, (4) và phổ đáp ứng.
Hình ảnh minh hoạ các tín hiệu của một xung phản hồi điển hình được biểu diễn trên hình 3-9. Trên màn hình quét A cĩ đặt các cổng đánh dấu để kiểm tra ba tham số đầu tiên.
Việc phân tích một tham số cĩ thể được thực hiện bằng một hệ điện tử dạng tương tự (analog) hoặc qua một hệ thống kỹ thuật số (digital) dựa vào máy tính. Hệ thống tương tự (analog) cĩ tốc độ thực hiện cao nhưng những phần lựa chọn lại tương đối bị giới hạn. Nếu tín hiệu được số hố và được phân tích bởi một bộ vi xử lý thì những lựa chọn đĩ trở nên đa dạng hơn. Khi thực hiện đo đạc trên thời gian thực, người ta sử dụng một phần mềm cơ sở cố định được mã hố cùng với một chương trình cĩ thể ghi nhận được những tham số đặc trưng. Điều này làm cho tốc độ ghi nhận dữ liệu nhanh lên, nhưng các thơng số kiểm tra được xác định trước và khơng thể thay đổi được. Nhìn chung, những hệ thống như vậy cĩ tốc độ thực hiện giống như các hệ thống mạch tương tự (analog).
Để cĩ được tính đa dạng, các số liệu đo đạc được ghi nhận bằng một chương trình máy tính. Các thiết bị kỹ thuật số cĩ thể mã hĩa (số hĩa) tồn bộ
___________________________________________________________________________________ 66 một tín hiệu đơn ghi nhận được trong quá trình quét A ở một tốc độ lên đến 400MHz. Đối với dải tần số lên đến GHz thì chúng ta phải sử dụng kỹ thuật lấy mẫu. Những hệ thống cĩ tần số cao như vậy hay được sử dụng với các thiết bị phát sĩng mặt. Ngồi ra chúng cịn cĩ các chức năng xử lý tín hiệu khác nhau