TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN
TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II
CHƯƠNG 4
THIẾT BỊ SIÊU ÂM VÀ NHỮNG PHỤ KIỆN
4.1. CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY DÒ KHUYẾT TẬT BẰNG SIÊU ÂM :
Về nguyên lý, thiết bị siêu âm và những phụ kiện gồm máy dò khuyết tật siêu âm, đầu dò và
cáp dẫn, mẫu chuẩn, hệ thống hiển thị và ghi nhận số liệu, các bể nhúng, bộ gá đặt đầu dò và
vật thể kiểm tra. Những tính chất chính của máy dò khuyết tật và các hệ thống biểu diễn kết
quả sẽ được trình bày trong chương này, còn các phần khác của thiết bị đã phân ra và đưa
vào các chương thích hợp trong tài liệu này.
Hình 1.4 trình bày sơ đồ khối của một hệ thống máy dò khuyết tật bằng siêu âm. Bộ tạo thời
gian quét và bộ phát sóng được khởi động đồng thời nhờ bộ định thời gian (mạch đồng hồ),
khởi phát truyền xung siêu âm từ đầu dò cùng thời điểm chùm tia điện tử bắt đầu di chuyển
ngang ống phóng cathode. Khi sử dụng đầu dò đơn tinh thể, xung điện thế cấp từ bộ phát
sóng tới đầu dò cũng đồng thời cấp vào bộ thu sóng, rồi được khuếch đại và hiển thị như chỉ
thị tín hiệu “a” trên màn ảnh CRT (hình 4.1). Tín hiệu “a” đã được biết đến với các tên gọi
là “xung phản hồi truyền”, “xung truyền”, “xung phát” hoặc “xung phản xạ mặt trước”.
Bộ thu sóng
Bộ định thời gian
(Mạch đồng hồ)
Bộ tạo thời
gian quét
Đến tất cả các mạch
Bộ phát xung
Nguồn nuôi
Hình 4.1 – Các bộ phận chủ yếu của một hệ thống phát hiện khuyết tật bằng siêu âm.
Điểm sáng chùm điện tử liên tục quét ngang màn ảnh CRT ứng với sóng âm từ đầu dò
truyền vào vật thể kiểm tra. Khi sóng siêu âm gặp bề mặt phản xạ “b”, một phần của nó bị
phản xạ ngược về đầu dò và được bộ thu sóng ghi lại và biểu diễn thành tín hiệu “b” trên
màn hình CRT. Phần còn lại truyền tới mặt đáy “c” của vật và bị phản xạ trở lại tạo ra tín
hiệu “c” trên màn hình CRT. Tín hiệu từ phản xạ bề mặt “b” và mặt đáy hoặc “tường sau”
CHƯƠNG 4
133
TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN
TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II
“c” của vật được biết tương ứng là “xung phản hồi khuyết tật”, “xung phản hồi mặt sau”
hoặc “xung phản hồi đáy”.
Nếu vật thể kiểm tra trong hình 4.1 là thép tấm dày 25mm thì toàn bộ hoạt động trên chỉ
diễn ra trong tám phần triệu giây (8µs). Tần số xung lặp lại (PRF) phải đủ lớn để hình ảnh
trên máy đủ cho mắt thường có thể nhận biết được. Mặt khác, với vật có bề dày 500mm,
thời gian cần thiết để hoàn thành toàn bộ quá trình khoảng 160µs. Nếu như dùng tần số
xung lặp lại (PRF) cao trong trường hợp này, thì sự nhầm lẫn có thể xuất hiện do đầu dò sẽ
phát xung siêu âm thứ hai trước khi thu được xung thứ nhất. Tùy theo bề dày của vật thể
kiểm tra, trong hầu hết các máy, tần số lặp lại xung có thể thay đổi từ 50 xung trong 1s
(PPS) tới 1250 PPS. Trong các thiết bị hiện đại, sự thay đổi này được thực hiện tự động theo
việc đặt dải đo. Nó sẽ điều chỉnh vận tốc chùm tia điện tử quét ngang qua màn hình CRT
theo các dải đo khác nhau.
Trong đầu dò tinh thể kép và phát sóng ngang có một nêm làm trễ bằng thủy tinh hữu cơ đặt
giữa biến tử áp điện và bề mặt của vật thể kiểm tra. Sóng âm truyền qua nó tốn một thời
gian trước khi đến vật. Để ngăn chặn điểm sáng chùm điện tử quét truyền đi một khoảng tỷ
lệ với thời gian truyền trong nêm thủy tinh hữu cơ, cần phải sử dụng bộ điều khiển trễ. Bộ
điều khiển trễ khống chế bộ phát thời gian quét chờ trong một giai đoạn bằng với thời gian
truyền trong nêm thủy tinh hữu cơ, trước khi cho điểm sáng của chùm điện tử quét bắt đầu
từ vị trí điểm 0.
4.1.1. Chức năng của các bộ phận điện tử trong một thiết bị siêu âm điển hình:
Những bộ phận chủ yếu của một máy dò khuyết tật siêu âm được mô tả trong hình 4.1.
Chức năng của những bộ phận này được trình bày dưới đây :
4.1.1.1. Ống tia âm cực (cathode ray tube - CRT) :
Ống tia âm cực CRT (hình 4.2) bao gồm một cuộn dây đốt nóng H để đốt nóng cathode C
làm cho nó bức xạ điện tử. Các điện tử này được gia tốc với một điện áp giữa cathode C và
anode A. Chùm điện tử được hội tụ bởi hình trụ hội tụ F để làm cho nó xuất hiện trên màn
huỳnh quang S của ống tia thành một chấm. Khi các electron đi đến màn huỳnh quang S của
ống tia chúng đi qua hai cặp bản làm lệch X và Y. Một điện áp tác dụng lên các bản X làm
lệch tia điện tử theo phương nằm ngang trong khi điện áp tác dụng lên các bản Y làm lệch
tia điện tử theo phương thẳng đứng.
Danh sách các núm điều khiển ống tia âm cực cùng tên các nhà sản xuất thường sử dụng
được cho sau đây :
(i)
Núm điều khiển độ sáng (Brightness) : độ sáng, độ chói, cường độ.
(ii)
Núm điều chỉnh hội tụ (Focus) : hội tụ, nét
(iii) Núm hội tụ phụ (Astigmation hay Auxiliary focus) : hội tụ theo phương thẳng đứng.
Núm này bổ chính cho sự nhòe của điểm sáng quét bằng cách thay đổi thời gian truyền
của điểm sáng chùm điện tử quét khi nó bị lệch bởi điện áp tác dụng lên các bản thẳng
đứng.
(iv) Núm điều chỉnh dịch ngang ( X-Shift) : dịch ngang, đặt số 0, dịch X
(v)
Núm điều chỉnh dịch dọc ( Y-Shift) : dịch dọc, dịch Y
CHƯƠNG 4
134
TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN
TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II
Dọc
Ngang
Hình 4.2 – Cấu tạo của một ống tia âm cực (CRT).
4.1.1.2. Bộ tạo thời gian quét cơ bản :
Bộ tạo thời gian quét cơ bản tạo ra một điện áp răng cưa tác dụng lên các bản lệch X của
ống tia CRT để làm cho tia điện tử chuyển động từ trái sang phải của ống tia với một vận
tốc đều. Vận tốc của tia điện tử phụ thuộc vào thời gian làm việc (tức là thời gian điện áp
răng cưa tăng từ 0 đến giá trị cực đại) của điện áp răng cưa (hình 4.3). Thời gian làm việc
càng ngắn thì tốc độ của tia điện tử càng lớn. Trên thực tế chúng quan hệ mật thiết với bề
dày của vật thể kiểm tra. Nếu ta muốn biểu diễn toàn bộ bề dày của một mẫu trên màn hình
CRT, chúng ta cần bảo đảm điểm sáng phải quét từ phải sang trái khi chùm sóng âm di
chuyển tới đáy và quay về đỉnh của vật. Đối với những mẫu mỏng chúng ta có thể cho điểm
sáng chùm điện tử quét nhanh hơn, ngược lại đối với mẫu dày thì chúng phải di chuyển
chậm lại. Các máy dò khuyết tật có thể biểu diễn ngang qua màn hình CRT bất cứ vật liệu
thép nào có bề dày từ 6mm đến khoảng 10m. Do đó dải điều khiển tốc độ điểm sáng chùm
điện tử quét cần phải rất lớn (từ khoảng 2µs đến khoảng 3500µs). Núm điều khiển cho phép
thay đổi thời gian làm việc của điện áp răng cưa do vậy làm thay đổi vận tốc điểm sáng quét
đưới dạng dải độ sâu hoặc dải kiểm tra. Để ngăn sự quay ngược trở về của điểm sáng chùm
điện tử quét gây ra một vết sáng trên màn hình, bộ tạo thời gian quét cơ bản đồng thời điều
khiển độ sáng của điểm sáng quét bằng một xung điện thế vuông sao cho điểm sáng quét chỉ
sáng trong thời gian làm việc của điện áp răng cưa (hình 4.4).
Đôi khi cần làm trễ xung điện kích phát khối tạo thời gian cơ bản so với xung điện làm
nhiệm vụ kích phát bộ phát sóng. Nhằm mục đích đó có một núm điều khiển, thường gọi là
núm điều khiển trễ. Ví dụ với đầu dò kép phát sóng ngang thường có nêm bằng thủy tinh
hữu cơ. Khi biến tử được kích họat, sóng âm phải truyền qua nêm thủy tinh hữu cơ trong
một thời gian nào đó trước khi đi vào vật thể kiểm tra. Nhưng chúng ta không muốn biểu
diễn thời gian truyền trong nêm thủy tinh hữu cơ trên đường quét thời gian cơ bản. Để thực
hiện điều này phải dùng núm điều khiển gọi là núm điều khiển trễ, để điều khiển bộ tạo thời
gian cơ bản đợi một khoảng thời gian bằng thời gian truyền âm trong nêm thủy tinh hữu cơ
trước khi cho điểm sáng quét từ zero. Núm điều khiển trễ cũng cho phép khởi động thời
gian cơ bản khi âm đã truyền được một khoảng 200mm qua 225mm bề dày vật đến mức chỉ
thấy 25mm sau cùng của vật trên màn ảnh máy.
CHƯƠNG 4
135
TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II
Điện thế (Voltage)
TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN
Điện thế (Voltage)
(a)
Thời gian
làm việc
Thời gian
làm việc
Điện thế (Voltage)
Điện thế (Voltage)
(b)4.3 : (a) Điện áp răng cưa của khối thời gian cơ bản
Hình
(b) Điện áp răng cưa với các thời gian làm việc khác nhau.
Thời gian
Thời gian
Hình 4.4 : Điện áp răng cưa cho quét thời gian cơ bản với xung vuông tương ứng để điều
khiển độ sáng.
4.1.1.3. Bộ phát sóng :
Thời gian
Bộ phát sóng còn được gọi là bộ tạo dao động, về cơ bản nó là mạch điện tử gồm có một
thyratron, các tụ điện và cuộn cảm (LC) được mô tả trong hình 4.5. Mạch điện này nhận
xung điều khiển từ bộ tạo thời gian cơ bản và cũng kích hoạt bộ tạo thời gian cơ bản hoạt
động. Xung điều khiển được nhận trễ hơn chút ít so với thời gian bắt đầu làm việc của điện
thế làm lệch sao cho sự xuất hiện của xung phát trên màn hình CRT lệch sang bên phải chút
ít so với thời điểm bắt đầu của đường thời gian cơ bản.
Sự xuất hiện của xung phát được coi như điểm zero của thang thời gian trễ hoặc thang độ
sâu. Xung điều khiển cấp đến thyratron để phát ra một điện áp do phóng điện đột ngột của
tụ điện đã được tích điện từ khoảng vài trăm đến 1000V. Điện thế dao động này kích thích
mạch vòng dao động bị giảm chấn tạo thành một xung phát.
CHƯƠNG 4
136
TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN
TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II
Các hiệu chỉnh khác nhau có thể được thực hiện trên mạch cơ bản này để tạo ra các xung có
biên độ, hình dạng và độ dài mong muốn. Ví dụ trong thiết bị hiện đại, thyratron được thay
thế bởi những thyristor và đôi khi bằng transistor thác. Quá trình giảm chấn có thể được
tăng lên bằng cách mắc thêm điện trở song song với cuộn cảm, cho phép điều chỉnh được
các đặc tính của xung. Hình dạng của xung phát cũng được xác định bằng cách nối đầu dò
vào thiết bị. Trong một số thiết bị các cuộn cảm không đặt bên trong thiết bị mà đặt trong
đầu dò sao cho dao động xung có thể chỉ xuất hiện sau khi đầu dò được nối. Không có đầu
dò thì xung này chỉ là xung điện áp ngắn.
Điện thế + 500V DC
Điện trở
Khối giảm chấn
Tụ điện
Nạp điện/Phóng điện
Đầu nối phát
Biến tử
Vật thể kiểm
tra
Bề rộng xung
(Năng lượng xung)
Khóa đóng ngắt điện
Cuộn dây
SCR hoặc thyratron
Chất tiếp âm
Điện trở
Hình 4.5 : Mạch điện thực tế của bộ phát sóng trong một máy dò khuyết tật siêu âm.
Bộ phát sóng cấp một xung điện áp hẹp cỡ 300 – 1000V cho biến tử áp điện trong đầu dò.
Về phần mình, biến tử áp điện biến đổi xung điện áp này thành sóng siêu âm. Trong một số
máy còn có núm điều khiển tần số, biên độ của xung điện, trong khi một số máy khác điều
khiển này là tự động. Tần số và độ rộng của xung siêu âm phụ được điều khiển tương ứng
theo độ dày và độ giảm chấn dao động của biến tử áp điện trong đầu dò.
4.1.1.4. Bộ thu sóng :
Biến tử siêu âm thu nhận các xung từ bộ phát sóng siêu âm truyền vào vật thể kiểm tra bị
phản xạ ngược trở lại từ các mặt phân cách cũng như từ những bất liên tục hiện diện trong
vật thể kiểm tra trở về đầu dò. Sóng âm phản xạ được đầu dò thu nhận bởi và được biến đổi
trở lại thành xung điện thế. Trong khi các xung điện thế cấp cho đầu dò là khoảng vài trăm
volt, thì những xung quay trở về lại đầu dò lại rất yếu chỉ khoảng 1/1000 đến 1V. Những
xung yếu này cần được khuếch đại trước khi đưa vào bộ hiện sóng. Để thực hiện điều này,
trong bộ phát sóng sẽ có bộ tiền khuếch đại, bộ khuếch đại, bộ tách sóng và bộ suy giảm. Bộ
tiền khuếch đại để khuếch đại những tín hiệu xung phản hồi nhỏ và nâng chúng lên trên
mức nhiễu điện. Bộ khuếch đại sẽ khuếch đại bất kỳ xung điện áp nào do đầu dò cung cấp.
Hệ số khuếch đại cỡ 105. Trong phần lớn các thiết bị, bộ khuếch đại cho dải rộng dải tần số
từ 1 đến 15MHz và không cần có núm điều hưởng bộ khuếch đại theo tần số của đầu dò.
CHƯƠNG 4
137
TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN
TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II
T
T
Từ đầu dò
F
B
B
T
F
F
Bộ khuếch
đại hình ảnh
Khuếch đại
tần số cao
Số 1
Số 2
Khuếch đại
tần số cao
B
Máy dò
Bộ suy
giảm
Bộ lọc
T
T
F
F
T
T
F
F
B
B
B
B
Đến trục
thẳng đứng
của màn
hình
Chỉnh lưu nửa
chu kỳ (Cắt bỏ
tín hiệu âm)
Chỉnh lưu
toàn chu kỳ
(Biểu diễn tín
hiệu âm lên
trục dương)
Hình 4.6 : Sơ đồ thực tế của bộ thu sóng và những dạng sóng.
Trong một số trường hợp, thiết bị dải tần hẹp nên cần thêm núm điều hưởng theo tần số đầu
dò. Nói chung có hai loại thiết bị khuếch đại được phân loại theo cách khuếch đại. Loại thứ
nhất là bộ khuếch đại tuyến tính, ở đó các chỉ thị biên độ xung phản hồi trên màn hình tỷ lệ
với điện áp ghi nhận của đầu dò, và loại thứ hai là bộ khuếch đại loga trong đó biên độ xung
phản hồi tỷ lệ theo logarit điện áp đầu dò. Vì biên độ xung phản hồi thường sử dụng đơn vị
decibels (dB) cũng là đại lượng theo loga nên bộ khuếch đại loga có ưu điểm là cho sự tỷ lệ
của bộ khuếch đại theo dB. (Xem phần 4.2.1 và 4.3.1)
Phần tách sóng trong bộ thu sẽ tách lấy tín hiệu điện áp để dễ quan sát. Trong một số thiết bị
có thêm một núm điều khiển để quan sát tín hiệu thu hoặc trạng thái có tách sóng hoặc
không tách sóng. Bộ suy giảm trong bộ thu được dùng để thay đổi biên độ tín hiệu khi cần.
Núm điều khiển thực hiện công việc này được gọi là “núm điều khiển độ lợi/khuếch đại” và
được chuẩn theo thang Decibel (dB). Nó điều chỉnh tín hiệu từ đầu dò đưa vào bộ khuếch
đại chính, để người vận hành có thể duy trì trên màn ảnh máy độ cao xung phản hồi từ mặt
phản xạ nhằm đánh giá kích thước khuyết tật bằng kỹ thuật so sánh chiều cao xung. Một
núm điều khiển khác có tên gọi là “núm loại nhiễu” hoặc “núm triệt nhiễu” được đặt trong
bộ thu nhằm loại bỏ các chỉ thị nhiễu ngẫu nhiên như “tín hiệu xung cỏ” thường xuất hiện
trên màn hình CRT. Hình 4.6 trình bày sơ đồ của một bộ thu sóng thực tế .
4.1.1.5. Mạch đồng hồ/mạch định thời gian:
Mạch đồng hồ hay mạch định thời gian cấp các xung điện để kích phát bộ phát thời gian cơ
bản và bộ phát sóng hoạt động tại cùng một thời điểm. Các xung này được phát lặp đi lặp lại
để tạo ra vết quét trên màn hình được ổn định và sáng rõ. Tần số mà các xung này được tạo
ra gọi là tần số lặp lại của xung (PRF). Trong một số máy có một núm để điều chỉnh PRF
còn trong một số khác việc điều chỉnh này được thực hiện một cách tự động .
4.1.1.6. Các cổng kiểm tra và mạch kiểm soát tín hiệu :
CHƯƠNG 4
138
TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN
TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II
Đánh giá bằng mắt các dấu hiệu trên màn hình thường bị chậm, không phù hợp cho kiểm tra
nhanh và liên tục. Nên mong muốn các số liệu kiểm tra như : biên độ phản hồi, thời gian
truyền xung cần được biến đổi thành các tín hiệu điện để có thể phát hiện nhanh chóng, dễ
dàng. Điều này được thực hiện nhờ trợ giúp của các mạch kiểm soát sẽ biểu diễn xung phản
hồi ở dạng tín hiệu báo động khi có tín hiệu xuất hiện trong vùng thời gian truyền chọn
trước (thường gọi là cổng kiểm tra) có biên độ vượt quá ngưỡng đã định. Thường trên màn
hình thiết bị chúng hiển thị dưới dạng cổng hoặc dạng thay đổi độ sáng trên đường quét thời
gian. Vị trí cũng như bề rộng của cổng kiểm tra này có thể thay đổi. Điểm bắt đầu của cổng
kiểm tra thường đặt ngay sau xung phát một chút. Có thể sử dụng một số cổng kiểm tra để
kiểm soát đồng thời các vùng đo khác nhau.
Về mặt điện tử, mạch kiểm soát gồm bộ khuếch đại nhận xung điện áp giống như màn hình
CRT, tuy nhiên nó chỉ truyền đi phần mong muốn của xung điện áp này trong một khoảng
thời gian truyền ứng với cổng kiểm tra. Điện áp cổng kiểm soát được đồng bộ bởi tần số
xung lặp lại - PRF của thiết bị.
Tín hiện báo động ra từ mạch kiểm soát có thể được dùng để kích hoạt thiết bị âm thanh (còi
hoặc chuông) hoặc tín hiệu nhìn thấy (đèn)…. Nó cũng dùng để đóng mở các họat động
khác của thiết bị như dừng mẫu kiểm tra khi phát hiện khuyết tật trong một dây chuyền
kiểm tra liên tục hoặc là bật mở thiết bị đánh dấu như là súng phun sơn để đánh dấu vị trí
khuyết tật trên mẫu kiểm tra.
4.1.2. Các loại thiết bị kiểm tra siêu âm :
4.1.2.1. Thiết bị xách tay :
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)
(ii)
(iii)
Vận hành dễ dàng, dễ thực hiện kiểm tra.
Kích cỡ phải nhỏ gọn và .
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.
CHƯƠNG 4
139
TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN
TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II
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 : khó 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). Trong 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
đây :
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).
CHƯƠNG 4
140
TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN
TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II
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).
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, các tính toán
này được thực hiện một cách tự động. Điều này tạo thuận lợi 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)
(ii)
Đểvận hành, cần phải biết vận tốc sóng âm của vật liệu kiểm tra.
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
CHƯƠNG 4
141
TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN
TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II
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 có 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 trường 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 đo 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.
Hình 4.7 : Quét tự động các ống, thanh, mối hàn, tấm phẳng với nhiều đầu dò.
CHƯƠNG 4
142
TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN
TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II
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.
4.2. CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA THIẾT BỊ VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN :
4.2.1. Những tính chất của các bộ khuếch đại dọc và ngang :
Vì tín hiệu đến từ đầu dò siêu âm thường rất yếu nên nó phải được khuếch đại trước khi
biểu diễn trên màn hình CRT. Quá trình khuếch đại này được thực hiện nhờ bộ khuếch đại
tần số radio (RF). Có hai đặc tính biểu diễn quan trọng của bộ khuếch đại là dải động lực và
tần số đáp ứng.
4.2.1.1. Dải động lực :
Dải động lực của bộ khuếch đại là tỷ số của đầu vào lớn nhất và nhỏ nhất có thể khuếch đại
mà không bị méo biến dạng. Một dải động lực lớn là cần thiết trong phát hiện khuyết tật
bằng siêu âm vì các kích thước khuyết tật được đánh giá bằng cách so sánh chiều cao của
các xung phản hồi từ các khuyết tật này. Dải động lực của một bộ khuếch đại tuyến tính sử
dụng trong các máy dò khuyết tật siêu âm thường là 34dB (50 : 1) trong khi với bộ khuếch
đại loga là 100dB (105 : 1).
CHƯƠNG 4
143
TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN
TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II
Hình 4.9 : Sơ đồ biểu diễn quá trình thực hiện kiểm tra bên trong các lò phản ứng hạt nhân,
(thiết kế MAN-Kraukramer) : 1 - Cần trục tời ray đơn, 2 - Bảng điều khiển, 3 –
Bi đỡ, 4 – Sàn bảo trì, 5 – Cần trục xoay, 6- Các vùng cột – , 7 - Bảng điện tử, 8
- Cầu ngang, 9 - Cầu thực hiện kiểm tra, 10 – Vòng đỡ hình nhện, 11 – Ống
viễn vọng, 12 – Tay quay, 13 –Hệ thống đầu dò cho đáy hình bán cầu, 14 –Hệ
thống đầu dò cho vách hình trụ và các ống nhánh.
4.2.1.2. Tần số đáp ứng :
Tần số đáp ứng của một bộ khuếch đại xác định dải tần số mà một bộ khuếch đại có thể
khuếch đại lên ngang bằng nhau. Bộ khuếch đại dải hẹp thường khuếch đại dải tần số hẹp
quanh tần số cộng hưởng của đầu dò sử dụng. Bộ khuếch đại dải hẹp cải thiện tỷ số tín hiệu/
nhiễu bằng cách khuếch đại tín hiệu từ một dao diện đến một mức lớn hơn các tín hiệu
nhiễu vì thế cải tiến được độ nhạy phát hiện khuyết tật. Nhưng độ rộng dải tần hẹp quá mức
có bất lợi là độ rộng xung bị mở rộng, dẫn đến làm giảm khả năng phân giải. Để điều tiết
các đầu dò tần số khác nhau, thiết bị khi sử dụng bộ khuếch đại dải tần hẹp thường có một
khóa chọn tần số. Bộ khuếch đại dải rộng (WB) có thể khuếch đại dải rộng các tần số. Loại
khuếch đại này cải tiến khả năng phân giải của máy dò khuyết tật mặc dù tỷ số tín hiệu và
nhiễu (độ nhạy phát hiện) thường là thấp hơn. Loại khuếch đại này thường được sử dụng
trong các máy dò khuyết tật xách tay với đầu dò sóng va đập. Dải tần số thực tế của bộ
khuếch đại dải rộng là từ 1 đến 10MHz.
4.2.2. Tương quan giữa khả năng phân giải và tần số; năng lượng truyền và độ suy
giảm :
Khả năng phân giải của một hệ thống dò khuyết tật là khả năng phân tách các xung phản hồi
khuyết tật nằm sát nhau. Khả năng phân giải của một hệ thống dò khuyết tật phụ thuộc vào
CHƯƠNG 4
144
TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN
TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II
độ dài xung siêu âm phát ra từ đầu dò. Độ dài xung bị điều khiển bởi tần số và độ suy giảm
của tinh thể của đầu dò và cả năng lượng điện cấp đến đầu dò để phát sóng siêu âm. Rung
động của các tinh thể trong các đầu dò tiêu chuẩn hiện có trên thị trường được giảm chấn
mạnh đến mức xung siêu âm phát ra từ các đầu dò này chỉ gồm bốn hoặc năm chu trình dao
động khi nó được cấp bởi xung điện cường độ thông thường. Nó gồm nhiều hơn năm chu
trình khi được cấp xung điện cường độ cao. Mặt khác, các đầu dò sóng va đập là các đầu dò
có độ giảm chấn cao nên xung siêu âm phát ra từ các đầu dò này ở khả năng phát bình
thường chỉ gồm từ 1/2 đến 1 chu trình dao động. Như vậy vì độ dài xung ngắn hơn (số chu
trình dao động nhỏ hơn trong một xung) sẽ chiếm không gian ít hơn trong vật liệu do đó nó
sẽ cho kết quả độ phân giải về độ sâu cao hơn. Nhưng vì năng lượng của xung (năng lượng
truyền) thấp, nên độ nhạy phát hiện khuyết tật sẽ thấp hơn. Một đặc trưng khác của xung
ngắn hơn sẽ cho độ rộng dải tần số của nó cao hơn. Dải tần số này bao gồm cả những tần số
cao hơn và thấp hơn xung quanh tần số cộng hưởng của đầu dò. Các tần số cao hơn cho độ
nét của xung phản hồi tăng do đó cải thiện được độ phân giải của hệ thống. Khi tăng năng
lượng truyền của đầu dò sẽ làm tăng độ dài xung phát ra từ đầu dò vì vậy sẽ tăng độ nhạy
phát hiện khuyết tật và làm giảm độ phân giải của hệ thống.
Các máy dò khuyết tật siêu âm thường có một núm điều khiển năng lượng phát có hai vị trí.
Vị trí thứ nhất cấp một xung điện năng lượng thấp đến đầu dò. Vị trí này cung cấp đủ độ
nhạy phát hiện khuyết tật và có độ phân giải cao hơn và hầu như tất cả các khuyết tật được
phát hiện khi chọn vị trí này. Tuy nhiên khi kiểm tra vật có bề dày lớn hoặc có các đặc tính
suy giảm âm cao thì năng lượng truyền của vị trí thứ nhất không đủ. Trong trường hợp như
vậy phải sử dụng vị trí thứ hai. Ở vị trí này, xung điện năng lượng cao hơn được cấp cho
đầu dò nhằm phát xung siêu âm dài hơn (năng lượng cao hơn). Do đó tại vị trí này sẽ cho độ
nhạy phát hiện khuyết tật cao và độ phân giải thấp hơn.
4.2.3. Độ tuyến tính :
Bộ khuếch đại phải khuếch đại những tín hiệu nhỏ thành những tín hiệu lớn. Điều này rất
cần thiết vì kích thước khuyết tật trong phát hiện bằng siêu âm được xác định bằng cách so
sánh các độ cao xung phản hồi. Như đã đề cập, dải tín hiệu vào bộ khuếch đại biểu thị đặc
trưng này (được biết là độ tuyến tính) được gọi là dải động lực của bộ khuếch đại. Trong
phát hiện khuyết tật bằng siêu âm, tính chất tuyến tính này phải được kiểm tra thường xuyên
như một phần của công việc kiểm chuẩn.
4.2.4. Sự bão hoà khuếch đại:
Khi đầu vào bộ khuếch đại vượt quá giá trị cực đại nào thì bộ khuếch đại sẽ không khuếch
đại các tín hiệu ở cùng tỷ số giống nhau như trong dải động lực. Độ khuếch đại hoặc độ lợi
của bộ khuếch đại sẽ giảm đối với đầu vào có biên độ tín hiệu lớn hơn. Hiện tượng này
được gọi là sự bão hoà của bộ khuếch đại. Như vậy, khi xác định kích thước khuyết tật
trong vùng bão hoà của bộ khuếch đại sẽ không chính xác, do đó, một bộ suy giảm được
cung cấp để điều khiển đầu vào bộ khuếch đại, nhằm giữ nó nằm duới giới hạn bão hoà. Bộ
điều khiển suy giảm cho phép người vận hành đánh giá chính xác kích thước khuyết tật đối
với các tín hiệu đầu vào lớn hơn giới hạn bão hoà.
4.3. BIỂU DIỄN TÍN HIỆU :
4.3.1. Biên độ xung phản hồi và quá trình điều chỉnh :
Một cách thuận lợi để đo sự thay đổi khuếch đại hay suy giảm của sóng siêu âm là sử dụng
thang đo decibel (dB). Một decibel bằng 1/10 bel trong đó Bel là đơn vị dựa trên cơ sở
CHƯƠNG 4
145
TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN
TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II
logarit thập phân. Trong vật lý, đại lượng công suất được sử dụng theo nghĩa là tốc độ làm
việc. Nếu có hai giá trị công suất P1 và P2, chúng khác nhau n bel thì khi đó :
P1/P2 = 10n
Hoặc
n = log P1/P2 bel
Vì 1 bel = 10 decibel, phương trình trên có thể viết lại :
n = 10 log (P1/P2) decibel
Công suất âm tỷ lệ với bình phương biên độ, nên khi so sánh hai biên độ A 1 và A2 ta có:
n = 10 log (A1/A2)2
(4.1)
Vì biên độ phản xạ của sóng siêu âm tỷ lệ với độ cao của xung phản hồi biểu diễn trên màn
hình CRT, do đó phương trình 4.1 có thể được biểu diễn như sau :
n = 20 log (H1/H2) dB
(4.2)
trong đó:
H1 là độ cao xung phản hồi tỷ lệ với biên độ sóng siêu âm A1.
H2 là độ cao xung phản hồi tỷ lệ với biên độ sóng siêu âm A2.
Những ưu điểm sử dụng đơn vị decibel là :
(a) Tỷ số lớn của độ cao phản hồi có thể biểu diễn bằng con số nhỏ hơn.
1000 : 1 = 60dB.
1000000 : 1 = 120dB.
(b) Chỉ cần đổi dấu là ta có nghịch đảo của độ cao xung phản hồi.
Thí dụ :
10000 : 1 = 80dB.
1 : 10000 = -80dB.
(c) Bội số các tỷ số độ cao xung tương ứng với phép cộng đơn giản các giá trị dB.
Thí dụ :
Hệ số khuếch đại 2 = + 6dB.
Hệ số khuếch đại 10 = + 20dB.
Hệ số khuếch đại 100 = + 40dB.
Bảng 4.1. Liệt kê các giá trị của một vài tỷ số độ cao xung. Để tìm những tỷ số độ cao phản
hồi tương ứng với giá trị dB không được liệt kê trên bảng 4.1 thì ta chọn các giá trị dB trên
bảng 4.1 sao cho tổng của chúng bằng giá trị dB tương ứng với độ cao xung phản hồi cần
xác định và tích số của những tỷ số độ cao xung phản hồi tương ứng với những giá trị dB đã
chọn này sẽ cho biết tỷ số của độ cao xung phản hồi cần tìm.
Ví dụ : Để tìm tỷ số độ cao xung phản hồi tương ứng với 30dB hãy tìm những giá trị dB sao
cho tổng của chúng bằng 30dB, đó là 16dB và 14dB. Tỷ số độ cao xung phản hồi của 16dB
là 6,31 và của 14dB là 5, như thế 6,31 × 5 = 31,55 là tỷ số của độ cao xung phản hồi tương
ứng với 30dB.
Bảng 4.1 - thống kê những giá trị dB của một vài tỷ số độ cao xung phản hồi.
Giá trị dB
Tỷ số độ cao xung phản hồi
Giá trị dB
Tỷ số độ cao xung phản hồi
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1,12
1,26
1,41
1,59
1,78
2
2,24
2,51
2,82
13
14
15
16
17
18
19
20
21
4,47
5
5,62
6,31
7,8
7,94
8,91
10
11,2
CHƯƠNG 4
146
TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN
10
11
12
TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II
3,16
3,55
3,98
22
23
24
25
12,59
14,85
15,85
17,78
Mặt khác, xác định giá trị dB của tỷ số độ cao xung phản hồi không cho trong bảng 4.1 có
thể được tính toán bằng cách phân tích tỷ số này theo các tỷ số có trong bảng 4.1 và sau đó
cộng các giá trị dB tương ứng.
Ví dụ : Giá trị của tỷ số giảm độ cao xung phản hồi là 625 có thể được xác định như sau :
Giảm 625 theo những hệ số có trong bảng 4.1.
625 = 1,25 × 5 × 10 × 10
Vì các giá trị dB tương ứng với 1,25, 5 và 10 là 2dB, 14dB và 20dB vậy giá trị dB tương
ứng với tỷ số độ cao xung tiếng vọng 625 là : 2 + 14 + 20 + 20 = 56dB.
4.3.2. Các cách biểu diễn tín hiệu :
Những xung phản hồi siêu âm được chuyển thành tín hiệu điện có thể nhìn thấy được trên
màn hình CRT hoặc trên các máy tự ghi khác. Có ba dạng biểu diễn tín hiệu quét đó là dạng
quét A (A – Scan), dạng quét B (B – Scan) và dạng quét C (C – Scan).
4.3.2.1 Cách biểu diễn dạng quét A (A – Scan) :
Cách biểu diễn tín hiệu phổ biến nhất là cách biểu diễn dạng quét A (A– Scan), trong đó
trục hoành của màn hình biểu diễn thời gian quét và độ lệch theo phương thẳng đứng cho
biết biên độ xung phản hồi. Từ vị trí và biên độ của xung phản hồi trên màn hình có thể
đánh giá được độ sâu của khuyết tật trong vật liệu và kích thước của nó. Một hệ thống kiểm
tra dạng quét A (A – scan) thực tế được biểu diễn trong hình 4.10.
Hình 4.10 – Cách biểu diễn dạng quét A (A – Scan).
4.3.2.2. Cách biểu diễn dạng quét B (B – Scan) :
Cách biểu diễn này cho thấy toàn bộ mặt cắt ngang của vật liệu kiểm tra và sẽ chỉ rõ chiều
dài và độ sâu của khuyết tật trong vật liệu. Một hệ thống kiểm tra có biểu diễn dạng quét B
(B – Scan) được biểu diễn trên hình 4.11. Hệ thống này khác với hệ thống biểu diễn dạng
quét A (A – Scan) ở những điểm sau đây :
(i)
Tín hiệu biểu diễn trên màn hình CRT là màn hình phủ bằng hợp chất phospho
bền vững. Tính chất này của màn hình CRT cho phép ảnh ảo của tiết diện ngang được
lưu một thời gian trên màn hình để quan sát mà không cần duy trì hình ảnh lâu dài.
(ii)
Đầu vào CRT cho một trục biểu diễn được cung cấp do một thiết bị cơ điện, thiết
bị này phát ra điện thế ứng với vị trí của biến tử tương ứng với điểm khảo sát trên bề
CHƯƠNG 4
147
TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN
TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II
mặt của vật thể kiểm tra. Hầu hết các cách thực hiện theo dạng quét B (B – Scan) là
quét đầu dò theo đường thẳng ngang qua bề mặt vật thể kiểm tra với tốc độ không đổi.
Một trục biểu diễn, thường là trục hoành, biểu diễn khoảng cách đã đi được dọc theo
đường thẳng này.
(iii)
Xung phản hồi thường được biểu diễn bằng những điểm sáng trên màn hình hơn
là các dao động của thời gian theo dõi. Vị trí của điểm sáng dọc theo trục vuông góc
với trục định vị của đầu dò, thường được đo từ trên xuống dưới màn hình và nó cho ta
biết độ sâu của xung phản hồi khuyết tật bên trong vật thể.
(iv)
Để bảo đảm các xung phản hồi được ghi là những điểm sáng, tín hiệu cho cường
độ xung phản hồi từ bộ khuếch đại được nối với bộ điều khiển độ sáng mờ của ống
phóng cathode (CRT). Trong một số hệ thống, các độ sáng tương ứng với các giá trị
khác nhau của cường độ xung phản hồi có thể biểu diễn độ tương phản đủ để đánh giá
bán định lượng cường độ xung phản hồi có liên quan tới hình dạng và kích thước
khuyết tật.
Ưu điểm chính của biểu diễn dạng quét B – Scan là nó biểu diễn được hình ảnh mặt cắt
ngang của vật thể và những khuyết tật trong đó. Hình ảnh được giữ lại đủ lâu để đánh giá
toàn bộ mẫu. Điều đó cho phép ta không cần phải chụp các ảnh hiện trên màn hình CRT để
lưu giữ lâu dài.
Những hạn chế của các hệ thống B – Scan là :
(i)
Vùng phía sau bề mặt phản xạ bị che khuất và vì vậy không thể nhận được hình
ảnh nào từ sau bề mặt này.( không ghi nhận được chỉ thị sau bề mặt phản xạ).
Hình 4.11 : Biểu diễn dạng quét B (Chiếu cạnh).
(ii)
Không ghi được hình ảnh độ rộng vết nứt theo hướng vuông góc với chùm siêu
âm và hướng di chuyển của đầu dò trừ trường hợp nếu độ rộng có ảnh hưởng đến
cường độ xungphản hồi và dẫn đến ảnh hưởng tới độ sáng của hình ảnh xung phản hồi.
(iii)
Chùm sóng âm thường có dạng hình nón hơn là dạng hình trụ, vì vậy những
khuyết tật ở gần mặt sau của vật có hình ảnh tín hiệu dài hơn những khuyết tật ở gần
mặt trước.
Hệ thống biểu diễn dạng quét B (B – Scan) đã được dùng rộng rãi trong y tế, chúng cũng
được sử dụng trong công nghiệp để ghi nhanh hình ảnh của các vật thể trên màn ảnh và để
lựa chọn phân loại cũng như những phần riêng của nó để kiểm tra kỹ lưỡng hơn bằng kỹ
thuật A – Scan.
4.3.2.3 Cách biểu diễn dạng quét C (C – Scan) :
CHƯƠNG 4
148
TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN
TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II
Hình 4.12 : Biểu diễn dạng quét C – Scan.
Hệ thống biểu diễn dạng quét C (C – Scan) được thiết kế để tạo ra một bản ghi vĩnh cửu kết
quả của phép kiểm tra khi sử dụng quét kiểm tra tự động tốc độ cao. Cách biểu diễn dạng
quét C (C – Scan) cho ta thấy một sơ đồ phác họa các khuyết tật nhưng không biết được
thông tin về độ sâu hoặc hướng của khuyết tật.
Một hệ thống biểu diễn dạng quét C (C – Scan) được mô tả trong hình 4.12. Về nguyên tắc,
mặc dù dùng dao động ký phosphor bền có thể sử dụng để biểu diễn dạng quét C (C –
Scan) nhưng trong thực tế có nhiều cách ghi nhận khác tỏ ra tốt hơn. Một số loại máy tự ghi
cơ điện để ghi nhận các số liệu trên giấy thường hay được sử dụng.
Để vận hành thiết bị ghi biểu diễn dạng quét C – Scan, máy kiểm tra siêu âm phải có một
cổng điện tử thu nhận những xung phản hồi trong một khoảng thời gian xác định sau xung
phát. Khoảng thời gian xác định sau xung phát được chọn tỷ lệ với khoảng cách từ đỉnh tới
đáy của một lát cắt cần kiểm tra của vật. Thông thường độ sâu cổng được đặt sao cho những
phản xạ mặt trước và mặt sau của vật bị loại trừ hoàn toàn trên màn hình. Như vậy chỉ có
những tín hiệu xung phản hồi từ phía bên trong vật thể được biểu diễn trên màn hình, trừ
trường hợp các xung phản hồi từ những lớp mỏng tiếp giáp với hai bề mặt của vật. Như đã
trình bày trước đây, nhược điểm nổi bật của cách biểu diễn dạng quét C – Scan là nó không
cho ta biết thông tin về độ sâu và hướng của khuyết tật.
4.3.3. Tương quan giữa các tín hiệu kỹ thuật số (digital) và tương tự (analog) :
Khi sử dụng máy tính để lưu trữ và xử lý tín hiệu từ máy dò khuyết tật siêu âm thông
thường, đầu tiên tín hiệu biến đổi tương tự (analog) phải được chuyển thành tín hiệu số. Tín
hiệu analog thay đổi liên tục theo thời gian trong khi tín hiệu số chỉ giữ những giá trị rời rạc
nào đó (hình 4.13). Số hóa tín hiệu tương tự (analog) được thực hiện bằng việc lấy mẫu
trong những khoảng cách đều. Nếu tốc độ lấy mẫu mẫu đủ nhanh, thì tín hiệu số hóa có thể
vẫn thấy rất giống với tín hiệu ban đầu nhưng không trơn đều bằng. Nếu tín hiệu số hóa
không giống như tín hiệu ban đầu thì có thể do lấy mẫu (tốc độ lấy mẫu chậm). Tín hiệu ở
tốc độ lấy mẫu chậm đưa đến xuất hiện hiệu ứng được biết đến là hiệu ứng gán biệt danh.
Do hiệu ứng này, tín hiệu tần số cao bị biến đổi thành tín hiệu tần số thấp do đó làm thay đổi
hình dạng của nó. Để tránh hiệu ứng này, có một nguyên tắc đơn giản đó là định luật
Nyguist phát biểu rằng tín hiệu phải được lấy thử ở hai lần tần số lớn nhất trong tín hiệu
tương tự (analog). Sau khi lấy mẫu tín hiệu, các giá trị mẫu được chuyển thành nhị phân. Số
CHƯƠNG 4
149
TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN
TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II
nhị phân là biểu diễn số thập phân trong chuỗi trạng thái ”0” và “1”, Hệ thống số nhị phân
chỉ là hệ thống số mà máy tính có thể hiểu được. 0 và 1 đã biết là ký hiệu đơn vị đo nhị phân
(ngắn gọn là bit) và hai số này mô tả hai trạng thái khác nhau, “On” hoặc “Off”. Một nhóm
ký tự số nhị phân được coi là một từ (hoặc các bit). Một từ có thể là bất kỳ số nào của bit,
nhưng trong kiểm tra siêu âm các từ 8 và 12bit là phổ biến nhất. Một từ 4 bit sẽ mô tả 2 4 (=
16) mức các giá trị biên độ tín hiệu. Từ 8 bit và 12 bit sẽ cho 28 (= 256) và 212 (= 2048) mức
khác nhau của tín hiệu điện áp.
VOLT
Tín hiệu tương tự (analog)
Tín hiệu mẫu
Điện thế mẫu
Thời gian
Tín hiệu được
khôi phục lại
Thời gian
Hình 4.13 : Sự tương quan giữa những tín hiệu kỹ thuật số và những tín hiệu tương tự
(analog). (a) Tín hiệu tương tự (analog); (b) Tín hiệu kỹ thuật số.
Như ví dụ : giả sử rằng một tín hiệu có điện áp đỉnh là 15 V cần được số hóa. Nếu một từ 4
bit được sử dụng thì 15volts sẽ được biểu diễn thành 16 mức, giữa mỗi mức khác nhau 1
volt, nghĩa là lên đến 15 volts với mỗi bước tăng 1 volt. Nếu 15 volts được mô tả bằng từ 8
bit thì sẽ có 256 mức điện thế khác nhau, giữa mỗi mức khác nhau 0,059 volt. Nếu 15 volts
được mô tả bằng từ 12 bit thì sẽ có 2048 mức, giữa mỗi mức khác nhau 0,0073 volt. Rõ
ràng từ ví dụ này, chiều dài từ sử dụng lớn hơn sẽ cho số mức lớn hơn (phân giải tốt hơn) và
tín hiệu số sẽ giống tín hiệu ban đầu nhiều hơn.
4.4. CÁC THIẾT BỊ GHI NHẬN:
4.4.1. Màn hình tự động :
Nhiều thiết bị được trang bị một màn ảnh tạo thuận lợi cho việc quan sát khuyết tật nằm
trong vùng quan tâm. Điểm bắt đầu và kết thúc của vùng quan tâm được đánh dấu bằng các
cổng quan sát trên đường quét thời gian cơ bản của màn hình hoặc đưa vào các thanh đánh
dấu trên màn hình. Nếu có một xung phản hồi xuất hiện trong vùng quan tâm thì sẽ có tín
hiệu báo động dạng âm thanh hoặc đèn báo hiệu. Ngưỡng báo động cũng có thể điều chỉnh
sao cho chỉ thị xung phản hồi chỉ kích hoạt tín hiệu báo động khi đạt đến độ cao nhất định.
Cách vận hành này được gọi là phương thức “trùng phùng”. Một số hệ thống khác có màn
CHƯƠNG 4
150
TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN
TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II
hình hoạt động theo phương thức “phản trùng phùng”, tức là một chỉ thị xung phản hồi chỉ
kích hoạt trạng thái báo động khi nó nằm dưới ngưỡng báo động đã đặt. Dạng phản trùng
phùng thường được sử dụng để theo dõi chiều cao xung phản hồi đáy. Việc theo dõi này cho
phép người vận hành kiểm tra năng lượng sóng âm truyền vào vật thể kiểm tra có đủ hay
không.
Ngoài chức năng có màn hình kiểm soát, trong hầu hết các thiết bị đều có cổng truy xuất để
tiếp tục xử lý phân tích các thông tin. Ngay khi xung phản hồi xuất hiện trong ngưỡng kiểm
soát, một điện áp tỷ lệ với độ cao phản hồi sẽ cấp tới ngõ ra và có thể sử dụng trực tiếp cho
ghi tự động. Bằng chức kiểm soát này cùng với bộ định vị đường quét gắn vào đầu dò, kết
quả kiểm tra những mẫu theo dạng quét C có thể dể dàng in ra trên một máy tự ghi X-Y.
4.4.2. Quá trình kết nối máy tính :
Những tín hiện thu từ máy dò khuyết tật siêu âm chỉ có thể được xử lý bằng máy tính nếu
được biến đổi thành tín hiệu số. Quá trình số hóa tín hiệu tương tự (analog) được thực hiện
trong một mạch đặc biệt được gọi là bộ biến đổi số – tương tự (ADC), lấy mẫu những tín
hiệu tương tự (analog) đi vào ở tốc độ cao lớn hơn 20MHz. Quá trình này thực hiện bằng
cách nối đầu ra của máy dò khuyết tật siêu âm qua bộ ADC đến máy tính và được gọi là kết
nối máy tính. Bộ ADC sử dụng trong máy dò khuyết tật siêu âm là loại xấp xỉ liên tiếp hoặc
loại flash có độ phân giải 8 hoặc 12bit và tốc độ lấy mẫu (hoặc tốc độ biến đổi) là 20MHz
hoặc cao hơn.
Các ADC phân giải 8 hoặc 12 bit và có tốc độ lấy mẫu 200MHz hoặc lớn hơn hiện có sẵn ở
dạng bo mạch, chúng có thể dễ dàng gắn thêm vào các máy tính cá nhân. Những bo mạch
này sẽ số hóa và lưu trữ những tín hiệu xuất ra của máy dò khuyết tật và sau đó có thể được
xử lý bằng máy tính khi sử dụng các phần mềm thích hợp.
4.4.3. Thiết bị tự ghi, máy in và máy đánh dấu màu :
4.4.3.1. Thiết bị tự ghi :
Hầu như bất kỳ loại thiết bị ghi nào đều có thể sử dụng được trong các hệ thống kiểm tra
siêu âm. Loại thiết bị tự ghi tương tự như các máy quét cơ học thường sử dụng, vì vị trí của
đầu quét thường là một hoặc hai biến số phải ghi nhận. Một số ưu điểm chính của các loại
máy ghi khác nhau được trình bày dưới đây :
Thiết bị tự ghi kiểu băng giấy biểu đồ :
Đây là loại thiết bị thường rẻ nhất. Giấy vẽ biểu đồ đi qua thiết bị ghi nhận với một tốc độ
không đổi trong khi một bút ghi (hoặc nhiều bút trong máy ghi nhiều kênh) dịch chuyển tới
lui ngang qua băng giấy. Chúng rất tiện dụng vì đầu đo dịch chuyển trên vật thể kiểm tra với
một tốc độ không đổi nên vị trí của nó được xác định dễ dàng trên biểu đồ.
Đối với loại máy ghi dạng tang tròn xoắn ốc (helix – drum) thường được sử dụng để thực
hiện ghi dữ liệu trong kiểm tra dạng quét C. Trong loại máy ghi này, giấy đã được xử lý hóa
học đi qua giữa một thanh gạt và một tang tròn quay với một cuộn dây xoắn ốc quấn quanh
nó. Thanh in có một cạnh hẹp và được nối đến đầu xuất của cổng báo động hoặc cổng xuất
tỷ lệ. Đầu nối điện kia chính là dây xoắn ốc. Khi tang tròn quay, điểm tiếp xúc giữa nó và
thanh in quét qua giấy. Dòng điện truyền qua giấy giữa thanh in và dây xoắn ốc sẽ làm cho
giấy đen. Quá trình quét đầu dò trên vật có thể nối trực tiếp với việc quét các điểm ngang
qua giấy. Tại điểm cuối của mỗi lần quét đầu đo và giấy đều được đánh dấu. Quá trình ghi
trong quét C – scan được biểu diễn ở nhiều màu xám (màu), mỗi mức xám biểu thị tương
ứng với một biên độ khác nhau.
CHƯƠNG 4
151
TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN
TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II
Thiết bị ghi kiểu tọa độ X-Y :
Trong máy tự ghi kiểu tọa độ X – Y, bút ghi dịch chuyển theo hai hướng trực giao còn lại
giấy được giữ cố định. Trong nhiều model, bút ghi có thể được nâng lên tự động khỏi giấy
cho phép sử dụng nó tương tự như trong máy ghi dạng quét C – scan. Nhiều model khác có
tốc độ quét không đổi theo một trục có thể chọn trước nếu muốn.
Thiết bị ghi dạng băng từ:
Các máy ghi băng từ được sử dụng để ghi biểu diễn quét A trên màn hình một cách trực
tiếp, sau đó băng phải được chiếu lại trên một thiết bị CRT khác. Tuy nhiên, cách làm này
cho phép lưu giữ và kiểm tra lại những hình ảnh tín hiệu đã xem xét trong quá trình kiểm
tra.
Máy in :
Các loại máy ghi kỹ thuật số rất mới trong kiểm tra siêu âm. Chúng thường in ra các dãy số
trên băng giấy hơn là vẽ thành thẳng. Mỗi cột hoặc nhóm cột số liệu có thể được ghi lại một
vài biến số khác nhau đồng thời. Việc in ra các số liệu thường dễ sử dụng hơn nhiều khi đọc
các giá trị trên các băng biểu đồ. Tuy nhiên các dữ liệu điện phải được đưa đến máy ghi
dưới dạng số. Phương pháp này phải sử dụng biến đổi tương tự (analog) sang số hóa vì thế
giá thành của thiết bị tăng lên, hoặc thiết bị phải được thiết kế để xuất dữ liệu ban đầu theo
dạng số hóa.
Thiết bị đánh dấu màu :
Máy đánh dấu màu là thiết bị được kích hoạt nhờ các cổng báo động (kiểm soát) để đánh
dấu vị trí của những khuyết tật trên bề mặt vật thể kiểm tra. Những thiết bị này thường được
sử dụng trong kiểm tra tự động các vật liệu dạng tấm, thanh, thỏi đúc, ống.v.v…
Trong kỹ thuật kiểm tra nhúng, vị trí của các khuyết tật được đánh dấu bằng cách sử dụng
một cây son màu hoạt động bằng khí nén hoặc vận hành dây curoa ép đập lên vật thể kiểm
tra tại những vị trí có khuyết tật.
CHƯƠNG 4
152