Характеристика достоинств и недостатков описанного метода неразрушающего контроля

Выполнение этого этапа работы с учебной информацией по НК рекомендуется сопровождать заполнением предлагаемой ниже табличной формы (табл. 2 и пример ее заполнения – табл. 2а).

Учебную информацию по первым двум пунктам задания к контрольной работе рекомендуется искать в литературных источниках, список которых приведен в разделе 7.

Для облегчения выполнения второго пункта задания составителем предпринята попытка включить в методические указания в качестве отдельного раздела некоторые основные определения и представления теоретической метрологии, касающиеся соотнесения процедур измерения, испытания и контроля.

Таблица 2

ХАРАКТЕРИСТИКА ДОСТОИНСТВ И НЕДОСТАТКОВ МЕТОДА НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ

Область задач _____ дефектоскопия ____________ Наименование метода ___ магнитопорошковый ________

дефектоскопия, толщинометрия, структурометрия

 

Материал объекта контроля

Диапазон контролируемых толщин

Требования к чистоте поверхности объекта контроля

Выявляемость дефектов

Аппаратура

Сложеность интерпретации результатов контроля

Форма (типы) дефектов

Расположение дефектов (поверхн./ внутрен.)

Ориентация плоских дефектов

Оценка максимальной чувствительности

Оценка размеров и локация дефектов

Портативность/ энергозатраты/ опасность

Дороговизна/ сложность

Документирование результатов контроля

Достоинства

Уверенно выявляются плоскостные дефекты – трещины, непровары, несплавления

Трещины с раскрытием 0,001 мм, высотой 0,050 мм и длиной 0,5 мм и более на глубине до 2 мм

В переносных дефектоскопах

Относительная простота и дешевизна

Реализуется фотографированием, перенесением изображения на клейкую прозрачную пленку

Простота расшифровки результатов контроля

Недостатки

Только ферромагнитные металлы и сплавы

Поверхностные и подповерхностные дефекты на глубине до 5 мм

Жесткие требования к чистоте поверхности

Дефекты округлой формы (поры, шлаковые включения, раковины) обнаруживаются плохо

Поверхностные и подповерхностные дефекты на глубине до 5 мм

Плохаявыявляемости при параллельной ориентации –плоского дефекта отн. магн. поля

 

 

Таблица 2а

ХАРАКТЕРИСТИКА ДОСТОИНСТВ И НЕДОСТАТКОВ МЕТОДА НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ

Область задач __ дефектоскопия _____________ Наименование метода ___ эхо-импульсный _____________

дефектоскопия, толщинометрия, структурометрия

 

Материал объекта контроля

Диапазон контролируемых толщин

Требования к чистоте поверхности объекта контроля

Выявляемость дефектов

Аппаратура

Сложеность интерпретации результатов контроля

Форма (типы) дефектов

Расположение дефектов (поверхн/ внутренн)

Ориентация плоских дефектов

Оценка максимальной чувствительности

Оценка размеров и локация дефектов

Портативность/ энергозатраты/ опасность

Дороговизна/ сложность

Документирование результатов контроля

Достоинства

Любые металлы (литье, поковки, прокат, сварка), пластмассы

Большой диапазон по толщинам (до метров)

Плоские дефекты (расслоения, трещины, плены, неслитины, непровары, подрезы)

Внутренние

до 0,5 мм^2на глубине 100 мм

Реализуется режим дефектометрии

Портативные дефектоскопы, высокая мобильность

Недостатки

Жесткие требования к чистоте поверхности для акустического контакта

Плохая выявляемость дефектов округлой формы

Плохая выявляемость поверхностных дефектов

Резкое ухудшение выявляемости при параллельной ориентации –плоского дефекта относительно УЗ-луча

Большой пороговый размер выявляемости дефектов округлой формы (диаметр до 3 мм)

Сложная и дорогая аппаратура

В образцах новейших дефектоскопов с цифровой обработкой информации, памятью и связью с ПЭВМ

Сложная расшифровка

 

НАЧАЛЬНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ОБ ИЗМЕРЕНИЯХ,

ИСПЫТАНИЯХ И КОНТРОЛЕ

Физическая величина

Свойство – философская категория, выражающая такую сторону объекта (явления, процесса), которая обуславливает его различие или общность с другими объектами (явлениями, процессами) и обнаруживается в его отношении к ним.

Весьма важно отметить, что свойство объекта не существует само по себе, но проявляется только во взаимодействии с другим объектом или объектами. Можно сказать, что свойство изучаемого объекта является его реакцией на действие со стороны другого объекта. В общем случае действие второго объекта трактуется как возмущающее воздействие на изучаемый объект (рис. 2). В зависимости от физической природы возмущающего воздействия (тепловое, механическое, магнитное, электрическое и т.д.) различают свойства тепловые (теплопроводность и др.), механические (твердость, прочность и др.), магнитные (магнитная проницаемость и др.), электрические (проводимость и др.) и так далее.

Для количественного описания различных свойств физических тел и процессов вводится понятие величины.

 

 

 

Рис. 2. Основные элементы процессов измерения, испытания или контроля

 

Величина – это свойство чего-либо, которое может быть выделено среди других свойств и оценено тем или иным способом, в том числе и количественно.

Физическая величина – одно из свойств физического объекта, в качественном отношении общее для многих физических объектов, а в количественном – индивидуальное для каждого из них.

Физическая величина в общем случае может быть определена как величина, свойственная материальным объектам (процессам, явлениям), изучаемым в естественных (физика, химия) и технических науках. Существует также «метрологический» критерий определения физической величины – существование физически реализуемой и воспроизводимой единицы величины

Индивидуальность в количественном отношении понимают в том смысле, что свойство может быть для одного объекта в определенное число раз больше или меньше, чем для другого. Таким образом, физические величины – это измеренные свойства физических объектов или процессов, с помощью которых они могут быть изучены.

По отношению к сигналам измерительной информации (см. далее измерение) физические величины разделяются на активные и пассивные. Активными называются величины, которые без использования вспомогательных источников энергии могут быть преобразованы в сигнал измерительной информации, т.е. сигнал, функционально связанный с измеряемой физической величиной. Такими величинами являются сила электрического тока, электрическое напряжение, температура, сила и др. Для измерения пассивных величин (электрическое сопротивление, индуктивность, масса и др.) необходимо использовать вспомогательный источник энергии, при помощи которого создается сигнал измерительной информации. При этом измеряемые пассивные величины преобразуют в активные величины, которые собственно и измеряются.

Единица физической величины – физическая величина, которой по определению присвоено числовое значение, равное 1.

Значение физической величины – оценка физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц; оно характеризует количественную индивидуальность объектов или, другими словами, количественное содержание в данном объекте свойства, соответствующего понятию физической величины.

Значение физической величины находится в ходе измерения. Формально можно утверждать, что понятию «измерение» соответствует информационный процесс, при котором средство измерения входит во взаимодействие с объектом измерения и в результате возникает измерительная информация.

Измерение

Понятие «измерение» трактуется по-разному.

Измерение в техническом аспекте – это нахождение значения физической величины опытным (экспериментальным) путем с помощью специальных технических средств.

Измерение с метрологической точки зрения– познавательный процесс, заключающийся в сравнении путем физического эксперимента данной величины с некоторым ее значением, принятым за единицу сравнения, т.е. с мерой.

Метрологическая суть измерения сводится к уравнению измерения

Q = q [ Q ],

(1)

где Q – измеряемая величина, [ Q ] – единица величины, q – число единиц.

Процедура простейшего измерения состоит в сравнении размера физической величины Q с размерами выходной величины q [ Q ], создаваемой специальным устройством – регулируемой многозначной мерой. Для реализации процедуры измерения необходимо выполнить следующие элементарные операции:

- измерительное преобразование измеряемой физической величины Х в другую физическую величину Q, однородную или неоднородную с ней;

- воспроизведение физической величины Q_М заданного размера N[Q], однородной с преобразованной величиной Q;

- сравнение однородных физических величин: преобразованной Q и воспроизводимой мерой Q_М = N[Q].

Структурная схема измерения показана на рис. 3.

	Q = F(Х)

Δ = F(Х) - N[Q]

Х

 

N

N

N

	QМ = N[Q]

 

Рис. 3. Структурная схема процедуры измерения

 

Для получения результата измерения необходимо обеспечить выполнение при N = q условия минимизации погрешности Δ сравнения величин Q и Q_М:

Δ = Q - q[Q] = F(Х) - q[Q] = min(F[Х] - N[Q]).

(2)

Измерительное преобразование – операция, при которой устанавливается взаимно однозначное соответствие между размерами в общем случае неоднородных преобразуемой Х и преобразованной Q физическими величинами. Измерительное преобразование описывается уравнением вида

Q = F(Х),

(3)

где F – некоторая функция, чаще линейная.

Операция измерительного преобразования осуществляется посредством измерительного преобразователя – технического устройства, построенного на определенном физическом принципе и выполняющего одно частное измерительное преобразование.

Результат измерений находится как

Х = F^-1{q[Q]},

(4)

где F^-1 – операция, обратная операции F, осуществляемой при измерительном преобразовании.

Воспроизведение физической величины заданного размера N[Q] – это операция создания требуемой физической величины с заданным значением, которую формально можно представить как преобразование кода N в заданную физическую величину Q_М, основанное на единице данной физической величины [Q]:

QМ = N[Q].

(5)

Мера – средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера в соответствии с выражением (5).

Сравнение измеряемой физической величины с величиной, воспроизводимой меройQ_М – это операция, заключающаяся в установлении отношения этих двух величин:

Q > QМ, Q < QМ или Q = QМ .

Точное совпадение сравниваемых величин, как правило, не встречается в практике измерений. В результате сравнения может быть лишь установлено, что

|Q - QМ| < [Q].

Измерительная информация может преобразовываться так, чтобы результат измерения представлял собой именованное число единиц измерения в явном виде – 220 В, 15 км, 300 Н и т.д. Вместе с тем, в технике широко распространены информационные структуры и процессы, в которых измерительная информация необходима и используется в форме сигнала измерительной информации. Измерительная информация в форме сигнала является исходной для решения задач, конечная цель которых – не получение значения физической величины в виде числа принятых единиц, а формирование определенных суждений, логических заключений об объекте типа «годен – не годен», «исправен – не исправен», «больше – меньше».

Принцип измерений – совокупность физических принципов, на которых основаны измерения, например, применение явления термического расширения газообразных и жидких тел для измерения температуры, измерение силы по изменению под ее действием длины упругого элемента (закон Гука) или с использованием пьезоэлектрического эффекта.

Метод измерения – это прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерения. В зависимости от способа применения меры различают методы непосредственной оценки и методы сравнения.

Классификация измерений как разнообразных экспериментальных процедур проводится по различным классификационным признакам. Пример подобной классификации в виде логической структуры показан на рис. 4.

 

 

 

 

 

 

Рис. 4. Классификация измерений

 

 

Средство измерений – это техническое средство (или их комплекс), предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимается неизменной в течение известного интервала времени.

Средство измерений объединяет самые разнообразные конструктивно законченные устройства, которые реализуют одну из двух функций:

- воспроизводят величину заданного (известного) размера, например, гиря – заданную массу, магазин сопротивлений ряд дискретных значений сопротивления, концевая мера – заданный линейный размер;

- вырабатывают сигнал (показание), несущий информацию о значении измеряемой величины.

Показания средства измерений либо непосредственно воспринимаются органами чувств человека (например, показания стрелочного или цифрового приборов), либо они недоступны восприятию человеком и используются для п реобразования другими средствами измерений.

Выработка информационного сигнала – основная функция, которая может быть реализована только посредством измерения, составляющие операции которого представлены на рис. 3. Для этого средства измерения должны содержать устройства (блоки, модули), которые выполняют эти элементарные операции. Такие устройства называются элементарными средствами измерений. В их число входят измерительные преобразователи, меры и устройства сравнения (компараторы). Обобщенная структура средства измерения показана на рис. 5, расположенном непосредственно под схемой процесса измерения.

 

		Х1 = F(Х)

Х

 

 

	ХМ = N[Q]

 

Y₁ = N

 

Y₂ = Х_М

 

Y₃ = Х₁

Рис. 5. Обобщенная структурная схема средства измерения

 

Шкалы измерений

Уяснение понятия «измерение» требует привлечения представлений о шкалах физической величины.

Шкала физической величины – это упорядоченная последовательность значений физической величины, принятая по соглашению на основании точных измерений.

Шкала наименований (классификации) – шкала, основанная на приписывании объекту цифр или знаков, играющих роль простых имен; указанное приписывание служит для нумерации предметов только с целью их идентификации или для нумерации классов, причем такой, что каждому из элементов соответствующего класса приписывается одна и та же цифра.

С цифрами, приписанными объектам и используемыми только как специфические имена, нельзя производить никаких математических операций. Они – цифры – могут быть использованы только для определения вероятности или частоты появления данного объекта.

Шкала порядка (рангов) – шкала, которая предполагает возможность упорядочения объектов относительно какого-то определенного свойства, т.е. расположения их в порядке убывания или возрастания данного свойства. Полученный при этом упорядоченный ряд называют ранжированным рядом, саму процедуру – ранжированием.

По шкале порядка сравниваются между собой однородные объекты, у которых количественные значения интересующих свойств неизвестны. Поэтому ранжированный ряд может дать ответ на вопросы типа «что больше (меньше)» или «что лучше (хуже)». Шкала порядка не может дать ответ на вопросы «на сколько больше или меньше» или «во сколько раз лучше или хуже».

В шкалах порядка отсутствует единица измерения величины. Вместе с тем, если некоторые точки ранжированного ряда зафиксировать в качестве опорных (реперных) и поставить реперным точкам в соответствие некоторые числа, именуемые баллами, можно применить шкалу для числового оценивания величин. Однако такое определение величин с помощью шкал порядка нельзя считать измерением. Операцию по приписыванию числа (балла) требуемой величине считают оцениванием. Результаты оценивания по шкале порядка не могут подвергаться никаким арифметическим действиям, потому что одинаковым интервалам между размерами данной величины не соответствуют одинаковые размерности чисел (баллов), отображающих размеры.

По шкалам порядка до сих пор оцениваются интенсивность землетрясений (шкала Рихтера), морское волнение, твердость минералов (шкала Мооса [1], с.27-28), скорость ветра (шкала Бофорта [3], с. 15), размер зерна стали в баллах и некоторые другие величины.

Шкала интервалов (разностей) отличается от шкалы порядка тем, что она состоит из одинаковых интервалов, имеет единицу измерения физической величины и произвольно выбранное начало – нулевую точку.

Примерами таких шкал является летоисчисление по различным календарям, в которых за начало отсчета принято либо сотворение мира, либо рождество Христово и т.д. К шкалам интервалов относятся также температурные шкалы Цельсия, Реомюра, Фаренгейта.

Результаты измерений по шкале интервалов можно складывать друг с другом и вычитать друг из друга, т.е. определять, на сколько одно значение физической величины больше или меньше другого. Определить по шкале интервалов, во сколько раз одно значение физической величины больше или меньше другого, невозможно, поскольку на шкале не определено начало отсчета физической величины. Но в то же время это может быть сделано в отношении интервалов (разностей). Так, разность температур 25 градусов в пять раз больше разности температур 5 градусов.

Шкала отношений представляет собой шкалу интервалов, но с естественным началом. В шкалах отношений существует однозначный естественный критерий нулевого количественного проявления свойства и единица измерений, установленная по соглашению. Они охватывают интервал значений величины от нуля до бесконечности и не содержат отрицательных значений.

Примером такой шкалы является шкала термодинамической температуры, за начало которой принят абсолютный нуль (более низкой температуры в природе не существует). По ней уже можно отсчитывать абсолютное значение температуры и определять не только, на сколько температура Т₁ одного тела больше температуры другого Т₂, но и во сколько раз больше или меньше по правилу:

Т₁/Т₂ = n.

Шкала отношений является самой совершенной, наиболее информативной. Результаты измерений по шкале отношений можно складывать между собой, вычитать, перемножать или делить.

Абсолютные шкалы – это шкалы, обладающие всеми признаками шкал отношений, но дополнительно имеющие естественное однозначное определение единицы измерения и не зависящие от принятой системы единиц измерения. Такие шкалы соответствуют относительным величинам: коэффициенту усиления, ослабления и др. Используемые в абсолютных шкалах единицы измерения строятся по логарифмическому принципу как логарифм отношения двух абсолютных значений измеряемой величины. К числу подобных единиц относятся, например, уровень звукового давления p и интенсивность акустических колебаний J.

Если принять некоторые значения p ₀и J ₀акустических величин за пороговые, то разницу значений одноименных величин можно выразить как логарифм отношения данного значения величин p и J к их пороговому значению:

lg(p/p ₀), lg(J/J ₀).

Уровни акустических величин выражают в единицах, именуемых бел (Б, или B), децибел (дБ, или dB) и непер (Нп, или Np). Численное значение 1 Б определяется следующим образом:

1 Б = lg(J₂/J ₁), при (J₂/ J ₁) = 10, если J₂ и J ₁ – одноименные энергетические величины (энергия, мощность, интенсивность и т.д.);

1 Б =2lg(p₂/p ₁), при (p₂/p ₁) = 10, если p₂ и p ₁ – одноименные «силовые» величины (звуковое давление, электрическое напряжение и т.д.).

Логарифмическая единица непер определяется из формулы:

1 Нп = ln(p₂/p ₁), при (p₂/p ₁) = e, где e – неперово число, основание натурального логарифма; 1 Нп = 0,8686 Б.

Логарифмические акустические единицы широко используются, в частности, при акустическом неразрушающем контроле.

Испытание

Испытание – экспериментальноеопределение количественных и (или) качественных характеристик свойств объекта испытаний как результата заданного воздействия на него при его функционировании, а также моделировании объекта и (или) воздействий.

Экспериментальное определение характеристик свойств объекта при испытаниях может проводиться путем использования измерений, оценивания и контроля.

Целью испытаний следует считать нахождение истинного значения параметра (характеристики), не при тех реальных условиях, в которых он фактически может находиться в ходе испытаний, а в заданных номинальных условиях испытания [1].

Цель испытаний, с метрологической точки зрения, заключается в нахождении посредством измерения истинного значения контролируемого параметра и оценивания степени доверия к нему [3].

Результатом испытаний называется оценка характеристик свойств объекта, установление соответствия объекта заданным требованиям, данные анализа качества функционирования объекта в процессе испытаний.

Между измерением и испытанием существует большое сходство: во-первых, результаты обеих операций выражаются в виде чисел; во-вторых, погрешности и в том, и в другом случае могут быть выражены как разности между результатами измерений (испытаний) и истинными значениями измеряемой величины (или определяемой характеристики при номинальных условиях эксплуатации). … Измерение можно считать частным случаем испытания, при котором условия испытаний не представляют интереса.

Контроль

Контроль – это процедура установления соответствия между состоянием объекта и нормой [1].

Контроль – это процесс определения соответствия параметра объекта установленным требованиям или нормам [3].

Сущность всякого контроля состоит в проведении двух основных этапов. На первом из них получают информацию о фактическом состоянии некоторого объекта, о признаках и показателях его свойств. Эта информация называется первичной. На втором – первичная информация сопоставляется с заранее установленными требованиями, нормами, критериями. При этом выявляется соответствие или несоответствие фактических данных требуемым. Информация об их расхождении называется вторичной. Она используется для выработки соответствующих решений по поводу объекта контроля. В ряде случаев граница между этапами контроля неразличима. При этом первый этап может быть выражен нечетко или практически не наблюдаться. Характерным примером такого рода является контроль размера детали калибром, сводящийся к операции сопоставления фактического и предельно допустимого значений параметра.

Контроль состоит из ряда элементарных действий: измерительного преобразования контролируемой величины; воспроизведения уставок контроля; операции сравнения; определения результата контроля.

Для реализации процедуры простейшего однопараметрового контроля свойства Х необходимы образцовые объекты или требования нормативно-технической документации, которые характеризуют параметры, равные соответственно нижней Х_Н и верхней Х_В границам нормы, и устройство сравнения. Результат контроля определяется следующим уравнением:

ниже нормы (Х < Х_В);

Q = норма (Х > Х_Н и Х < Х_В);

выше нормы (Х > Х_{В )}.

Измерения и контроль тесно связаны друг с другом, близки по своей информационной сущности и содержат ряд общих операций, например, измерительное преобразование, сравнение. В тоже время их процедуры во многом различаются:

- результатом измерения является количественная характеристика, а контроля – качественная (логическое заключение, суждение типа «годен – не годен», «брак – норма» и т.п.);

- измерение осуществляется в широком диапазоне значений измеряемой величины, а контроль – обычно в пределах небольшого числа возможных состояний;

- контрольные приборы, в отличие от измерительных, применяются для проверки состояния изделий, параметры которых заданы и изменяются в узких пределах;

- основной характеристикой качества процедуры измерения является точность, а процедуры контроля – достоверность.

Соотнесение определений и характеристик процедур измерения, испытания и контроля представлено в форме табл. 3.