CHệễNG 4 THIẾT BỊ SIÊU ÂM VÀ NHỮNG PHỤ KIỆN
4.1. CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY DÒ KHUYẾT TẬT BẰNG SIÊU ÂM
4.1.2. Các loại thiết bị kiểm tra siêu âm
Các thiết bị xách tay được chế tạo để kiểm tra tại hiện trường, do đó thiết kế của chúng phải dựa vào các yếu tố sau :
(i) Vận hành dễ dàng, dễ thực hiện kiểm tra.
(ii) Kích cỡ phải nhỏ gọn và . (iii) Càng nhẹ càng tốt.
Vì vậy những thiết bị này sẽ chuyên dụng trong một số ứng dụng đặc biệt như : kiểm tra mối hàn, kiểm tra các vật đúc và đo bề dày.v.v…Những thiết bị này chỉ có những núm điều khiển cần thiết chủ yếu. Trong kiểm tra các vật đúc thường sử dụng những tần số thấp vì vật đúc có cấu trúc hạt thô nên thiết bị được thiết kế ở tần số thấp.
Máy đo bề dày là một thiết bị siêu âm đặc biệt không có núm điều khiển hoặc chỉ có một đến hai núm điều khiển. Chúng có màn hình dạng analogue hoặc số hóa. Các loại thiết bị đo bề dày hiện đại thường là loại hiện số. Số lượng núm điều khiển phụ thuộc vào ứng dụng của nó. Nếu sử dụng để đo bề dày cho chuyên một vật liệu thì thường không có núm điều khiển nào. Thiết bị dùng để đo bề dày của một số vật liệu đã biết tính chất về âm, thường có một núm điều khiển để điều chỉnh về zero hoặc điều khiển trễ. Những thiết bị như vậy cần có một mẫu độ dày để chuẩn. Những thiết đo bề dày các vật liệu chưa biết đặc tính âm, thường có hai núm điều khiển : một là để điều điểm zero (điều khiển trễ) và một điều chỉnh dải kiểm tra. Vì vậy cần phải có mẫu có hai bề dày khác nhau biết trước để chuẩn. Ngoài ra còn có các thiết bị đo bề dày chính xác rất cao thường dùng để đo chính xác các chi tiết máy, loại máy này có giá thành rất cao.
Tất cả các thiết bị xách tay đều là dạng đơn kênh, có nghĩa là nó có thể làm việc với các đầu dò đơn tinh thể hoặc với đầu dò tinh thể kép. Các thiết bị này thường được điều khiển bằng tay. Các thiết bị xách tay hoạt động được với cả pin và điện nguồn.
4.1.2.2. Thiết bị phòng thí nghiệm :
Các thiết bị trong phòng thí nghiệm thường được sử dụng để phát triển các kỹ thuật kiểm tra siêu âm. Những thiết bị này rất đa năng và có rất nhiều núm điều khiển cho phép người vận hành phát triển kỹ thuật kiểm tra có kết quả tối ưu. Vì vậy những thiết bị này rất lớn, nặng nề và giá thành cao. Nói chung, đây là các thiết bị một kênh và có thể vận hành bằng tay và tự động.
4.1.2.3. Thiết bị kỹ thuật số :
Các máy dò khuyết tật siêu âm thông thường vận hành bằng tay thường có gắn một màn hình hiện sóng để biểu diễn những thông tin phát ra từ thiết bị. Dọc theo trục X là thang biểu diễn thời gian được điều khiển bởi mạch quét, dọc theo trục Y biểu diễn biên độ xung từ đầu dò sau khi qua mạch thu - khuếch đại. Hiệu ứng kết hợp của hai mạch điều khiển này là dạng liên tục, biến đổi tương tự (analog), hoặc vẽ trên màn hình.
Nói chung, các thiết bị analog thông thường sử dụng rất tốt cho phát hiện khuyết tật và đo bề dày. Tuy nhiên, việc sử dụng những thiết bị này để phát hiện và đánh giá xác định kích thước khuyết tật lại không thông dụng vì nhiều lý do khác nhau. Kỹ thuật siêu âm bị xem là kém hơn phương pháp chụp ảnh bức xạ. Ví dụ như : kho ù thực hiện được việc ghi lại kết quả kiểm tra một cách vĩnh viễn. Thêm vào đó màn hình hiển thị không cho thấy được hình ảnh khuyết tật nằm bên trong, dù khuyết tật có thể được vẽ ra dựa trên các quan hệ hình học đơn giản, và cả bằng sự am hiểu về quá trình tác động chùm tia siêu âm lên khuyết tật. thì đó cũng là quá trình rất tốn thời gian và làm hạn chế độ chính xác. Biểu đồ khuyết tật phải thực hiện vẽ bằng tay vì khả năng giới hạn của thiết bị thao tác điều khiển các tín hiệu
Trong cố gắng khắc phục những hạn chế này, gần đây người ta đã chế tạo ra các thiết bị siêu âm kỹ thuật số đáp ứng tốt hơn các thiết bị biến đổi tương ứng (analog). T rong trường hợp này, biến tử phát tín hiệu analog được số hoá bởi một mạch biến đổi từ analog sang số hóa (ADC) nằm bên trong thiết bị. Các tín hiệu số hoá được điều khiển bởi bộ vi xử lý bên trong nhằm điều khiển màn hình và lưu trữ dữ liệu.
Tùy thuộc độ phức tạp của thiết bị, số liệu siêu âm dạng số có thể được hiển thị dưới nhiều dạng khác. Những hệ thống siêu âm tự động tinh vi có thể tạo ra các biểu diễn ảnh kích thước hai hoặc ba chiều từ các số liệu siêu âm. Mặc dù chúng có những ứng dụng hữu hiệu như vậy, nhưng các hệ thống này không quá đắt tiền nếu chỉ sử dụng cho các ứng dụng thông thường. Những máy dò khuyết tật kỹ thuật số dù có giá thành thấp hơn cũng cho biểu diễn kết quả giống như thiết bị analog, nhưng có thêm một số tính chất của thiết bị biểu diễn dạng quét C-scan đắt tiền hơn.
Một số tính chất thông thường của máy dò khuyết tật kỹ thuật số được tóm tắt dưới ủaõy :
Bộ nhớ chuẩn định: Các thống số thiết lập như vận tốc sóng âm, độ khuếch đại, dải kiểm tra, góc, tần số của đầu dò.v.v… được đưa vào lúc ban đầu hiển thị trên màn hình. Những thông tin này được giữ lại trong bộ nhớ cho đến khi chúng bị thay đổi và có thể được hiển thị tại bất cứ thời điểm nào đó trong quá trình kiểm tra. Thêm vào đó, những thiết bị này có thể lưu trữ một số công việc đã chuẩn định để có thể gọi lại vào những thời điểm sau này. Đây là tính chất hữu ích khi thường xuyên phải thực hiện kiểm tra những công việc chuyên biệt nào đó.
Núm triệt nhiễu (reject) tuyến tính : Chức năng của núm này nhằm cải thiện tỷ số tín hiệu và nhiễu bằng cách lọc ra các tín hiệu có biên độ thấp và phông nhiễu (nhiễu cỏ). Trong các thiết bị analog, khi sử dụng núm triệt nhiễu (reject) sẽ gây mất quan hệ tuyến tính giữa các biên độ tín hiệu. Vì lý do này một số quy phạm không cho phép sử dụng chức năng này. Tuy nhiên trong máy dò khuyết tật kỹ thuật số vẫn duy trì được độ tuyến tính của tín hiệu khi sử dụng núm triệt nhiễu (reject).
CHệễNG 4 142
Núm hiệu chỉnh biên độ – khoảng cách : khi so sánh những chỉ thị tại các độ sâu khác nhau trong vật thể kiểm tra phải tính đến sự suy giảm của chùm tia siêu âm.
Điều này đạt được khi sử dụng kết hợp với bộ hiệu chỉnh biên độ – khoảng cách, hay DAC. Trong nhiều thiết bị analog, đường DAC phải vẽ bằng tay trên màn hình của máy dò khuyết tật. Điều này có thể thực hiện về mặt điện tử trong các thiết bị kỹ thuật số. (Một vài máy dò khuyết tật analog cũng có đường DAC điện tử xây dựng sẵn trong máy).
Chức năng xác định đỉnh xung hoặc trung bình hóa: Các khả năng bộ nhớ của thiết bị kỹ thuật số cho phép máy dò khuyết tật chọn đỉnh đặc trưng hiển thị trên màn hình. Nó cũng có thể đưa vào chức năng trung bình hóa tín hiệu cho các số liệu ghi nhận. Cả hai chức năng này đều hữu ích trong việc cải thiện tỷ số tín hiệu và nhiễu.
Xác định tự động vị trí các phần tử phản xạ: vị trí của một chỉ thị trong vật thể kiểm tra có liên quan đến vị trí của đầu dò, được xác định từ các quan hệ hình học đơn giản bằng cách khi biết được góc của đầu dò và quãng đường truyền âm. Khi sử dụng thiết bị analog, điều này phải tính toán bằng tay. Còn các thiết bị kỹ thuật số, cỏc tớnh toỏn này được thực hiện một cỏch tự động. Điều này tạo thuận lơ ùi rất lớn trong việc đánh giá kích thước khuyết tật.
Các chức năng lưu trữ số liệu ghi được: các hình ảnh trên màn hình có thể được lưu trữ vĩnh viễn khi sử dụng băng video hoặc máy in biểu đồ chuyên dụng. Nó cũng có thể ghi lại toàn bộ quá trình kiểm tra vào băng video (VCR). Một cổng RS232 được sử dụng để truyền tín hiệu số vào máy tính.
4.1.2.4. Thiết bị đo bề dày kỹ thuật số :
So với thiết bị đo bề dày analog thì thiết bị đo bề dày kỹ thuật số được sử dụng rộng rãi hơn vì chúng rất gọn nhẹ, độ chính xác cao và quy trình vận hành đơn giản hơn. Thiết bị đo bề dày kỹ thuật số trên thị trường hiện nay được phân loại như sau :
(a) Thiết bị đo độ dày đã chuẩn định sẵn:
Những thiết bị này dùng để đo nhanh bề dày của những vật đã biết trước loại vật liệu.
Chúng không cần người hiệu chuẩn, do đó có thể sử dụng nhanh chóng và kết quả hoàn toàn tin cậy, thậm chí người vận hành không cần phải huấn luyện. Các thiết bị này cho độ chính xác đến khoảng 0,1mm trên toàn phạm vi dải đo của chúng.
(b) Thiết bị đo độ dày phải chuẩn trước:
Loại thiết bị này cần cho đo độ dày của những vật liệu khác nhau và có độ chính xác cao. Chúng có một hoặc hai núm hiệu chuẩn. Với thiết bị đo độ dày có một núm hiệu chỉnh (chuẩn đơn) có quy trình vận hành đơn giản nên không cần người kiểm tra có kỹ năng cao, tuy nhiên chúng cũng có hai hạn chế sau :
(i) Đểvận hành, cần phải biết vận tốc sóng âm của vật liệu kiểm tra.
(ii) Do những thiết bị này được chuẩn trước với một bề dày, thường khoảng 5mm, nên độ chính xác đo của chúng giảm nhanh khi bề dày đo nằm ngoài giá trị này.
Những hạn chế nêu trên của các thiết bị đo bề dày chuẩn đơn được khắc phục bằng cách sử dụng các thiết bị đo bề dày có hai núm hiệu chuẩn (chuẩn kép). Các thiết bị này cần hai bề dày chuẩn nằm trong dải bề dày cần đo và tiến hành hiệu chuẩn theo quy trình chuẩn định. Nếu có các bề dày chuẩn thích hợp và việc chuẩn định được thực hiện rất cẩn thận thì độ chính xác của loại thiết này trong đo độ dày thực tế co ù thể đạt đến khoảng 0,001mm. Một số thiết bị đo độ dày kỹ thuật số có thể sử dụng được như thiết bị chuẩn đơn hoặc chuẩn kép.
Những tình huống, máy dò khuyết tật được sử dụng thay cho máy đo độ dày là:
(i) Khi bề dày quá lớn hoặc vật liệu của vật thể kiểm tra gây suy giảm sóng âm mạnh (như gang xám, nhựa, hoặc cao su) đến mức xung đáy quá yếu không thể dừng mạch đếm.
(ii) Khi muốn kết hợp việc đo bề với phát hiện khuyết tật, thí dụ trư ờng hợp đo bề dày các bề mặt bị rỉ mòn và phát hiện các vết nứt do ăn mòn.
4.1.2.5. Thiết bị đo bề dày biểu diễn dạng quét A (A – Scan) :
Ngày nay các nhà chế tạo thiết bị siêu âm đã kết hợp cả hai loại hiện số và biểu diễn xung phản hồi trên cùng một thiết bị. Điều này cho phép kỹ thuật viên quan sát được các xung phản hồi và nhận thấy được các xung phản hồi yếu hơn từ những hốc rỉ mòn sâu hơn nhờ cổng điện tử trong thiết bị đo bề dày. Để có thể giải đoán những hiện tượng như vậy, kỹ thuật viên cần phải được huấn luyện và quen thuộc với những hình ảnh sóng âm phản xạ từ các mặt đáy rỉ mòn hoặc gồ ghề. 10 phút huấn luyện sử dụng thiết bị đ o kỹ thuật số là không đủ cho một kỹ thuật viên phát hiện sự rỉ mòn bằng siêu âm.
4.1.2.6. Thiết bị tự động hóa :
Các hệ thống tự động hóa được sử dụng khi cần kiểm tra một số lượng lớn các sản phẩm giống nhau. Hệ thống này chủ yếu bao gồm một hoặc nhiều đầu dò giống nhau gắn với vật thể kiểm tra nhờ một khối điều khiển và dịch chuyển ngang qua vật thể kiểm tra theo một sơ đồ quét định trước (hình 4.7). Một sơ đồ đơn giản của hệ thống phát hiện khuyết tật tự động 4 kênh được biểu diễn trong hình 4.8. Các tín hiệu siêu âm được xử lý nhờ khối đánh giá (giống như máy dò khuyết tật siêu âm) và biểu diễn trên màn hình CRT. Tất cả dữ liệu đo cùng với thông số vị trí đầu dò sẽ được chuyển vào máy tính để xử lý và đánh giá. Báo cáo kiểm tra được in ra bằng máy in. Máy tính cũng điều khiển các thiết bị đánh dấu và phân loại để đánh dấu các vị trí khuyết tật trên đối tượng kiểm tra. Các đối tượng kiểm tra có các khuyết tật không chấp nhận sẽ bị loại bỏ. Ngoài ra, máy tính còn điều khiển sự dịch chuyển vật thể kiểm tra và điều khiển tín hiệu xác định các điều kiện kiểm tra.
CHệễNG 4 144
Hình 4.7 : Quét tự động các ống, thanh, mối hàn, tấm phẳng với nhiều đầu dò.
Hình 4.8 : Sơ đồ biểu diễn một hệ thống dò khuyết tật bốn kênh.
Trong hệ thống bốn đầu dò này cùng với máy phát xung được nối đến bộ khuếch đại chính và bốn cổng màn hình theo chuỗi tự động. Bằng cách sử dụng một khóa lựa chọn, hình ảnh xung phản hồi của bất kỳ 4 kênh nào có thể được biểu diễn trên màn hình CRT. (xem thêm phần 9.2) Một hệ thống kiểm tra siêu âm điều khiển từ xa trong quá trình lắp đặt và vận hành các bồn áp lực lò phản ứng được biểu diễn trong hình 4.9.