Радиоволновой метод неразрушающего контроля

Содержание

Введение                                                                                               3

Особенности радиоволнового метода                                               4

Методы радиоволнового неразрушающего контроля                       8

Приборы радиоволнового неразрушающего контроля                    15

Источники и приемники  радиоволнового излучения СВЧ            19

Литература                                                                                          23

 

 

       

 

Введение

Одной из важнейших  проблем трубопроводного транспорта является сохранение нормального состояния линейной части промысловых и магистральных трубопроводов. Подземные трубопроводы, работающие при нормальных режимах, сохраняются, по крайней мере, несколько десятков лет. Так, например, в США некоторые трубопроводы, проработавшие около двадцати лет, полностью сохранились и не требуют ремонта. Этому способствовало то большое внимание, которое уделяется систематическому контролю состояния подземных и надземных трубопроводов и своевременная ликвидация появляющихся дефектов.

Как правило, большинство  дефектов на трубопроводах появляются в результате коррозионных и механических повреждений, определение места и характера которых связаны с рядом трудностей и большими материальными затратами. Совершенно очевидно, что вскрытие трубопровода для его непосредственного визуального обследования экономически неоправданно. К тому же обследовать можно только внешнюю поверхность трубопровода. Поэтому в течение последних лет в нашей стране и за рубежом усилие специализированных научно-исследовательских и проектных организаций направлено на решение проблемы определения состояния подземных и надземных промысловых, магистральных нефтепродуктопроводов без их вскрытия. Эта проблема связана с большими техническими трудностями, однако при использовании современных методов и средств измерительной техники она успешно решается.

В работе мы рассмотрим один из методов, который обеспечивает выявление дефектов.

 

 

 

Особенности  радиоволнового  метода

Радиоволновой неразрушающий  контроль основан на регистрации  изменения параметров электромагнитных колебаний СВЧ, взаимодействующих  с объектом исследования. Диапазон длин волн, преимущественно используемый в радиоволновом контроле, ограничен 1 - 100 мм. Более освоены и обеспечены измерительной аппаратурой 3-см и 8-мм поддиапазоны.

Радиоволновой контроль применяют  для решения всех типовых задач  неразрушающего контроля: толщинометрии, дефектоскопии, структуроскопии и интроскопии (контроля внутреннего строения). Используемая при этом аппаратура, как правило, построена на базе стандартных или модернизированных элементов СВЧ. Специальным элементом при решении конкретной задачи может быть источник или приемник излучения, а также приспособление для крепления и перемещения объекта. 
 
Среди других особенностей радиоволнового контроля по сравнению с оптическим и радиационным следует отметить использование импедансного метода для расчета параметров сигналов и соизмеримость длины волны излучения с размерами радиоволнового тракта «источник излучения — объект контроля— приемник излучения».

Излучения СВЧ относятся  к области радиоволн, которые  с момента своего открытия использовались для передачи информации. Применение волн СВЧ для целей НК потребовало  создания теории их взаимодействия с  объектом контроля. Вполне естественно, что в разработанной теории были учтены результаты, полученные в радиосвязи для волновых систем с распределенными параметрами (длинных линий, волноводов и др.) импедансным методом, в котором радиоволновой тракт «источник излучения - объект контроля - приемник излучения» заменяется моделью в виде длинной линии. При этом канал распространения колебаний СВЧ (двухпроводные линии, волноводы, свободное пространство) характеризуют волновым сопротивлением. Для идеального диэлектрика оно вещественно при ε_r=1 равно z₀=377 Ом. 
 
Отношение γ/(ωε_a)=tgδ называют тангенсом угла диэлектрических потерь и относят к важнейшим параметрам диэлектриков. Здесь γ - удельная электрическая проводимость; ω - угловая частота. На одной частоте (tgδ < 0,01) материал может считаться диэлектриком, на другой (tgδ > 100) — проводником. При расчетах к идеальным диэлектрикам относят материалы, для которых tgδ < 0,01. На частотах, меньших 9x10⁶ Гц, морскую воду относят к классу диэлектриков; на частотах, больших 9x10¹⁰ Гц, — к классу проводников. В промежуточной области 0,001 < tgδ < 100 материал называют несовершенным диэлектриком, характеризующимся комплексной диэлектрической проницаемостью и комплексным волновым сопротивлением.

 

Для проводников мнимая часть комплексной  диэлектрической проницаемости  велика по сравнению с вещественной частью: ε'>>ε_a и волновое сопротивление определяется выражением z_c будет равно квадратному корню из отношения (ωμ_a) / γ . С ростом частоты, z_c увеличивается и, волны не могут глубоко проникать в проводник. Явление экранирования наружными слоями материала глубинных слоев от проникновения поля называют скин-эффектом. Он характеризуется глубиной проникновения плоской волны, на которой напряженность полей Е и Н уменьшается в е раз.

Скорость распространения  электромагнитной волны в несовершенном  диэлектрике зависит от частоты  так как ε'=γ /ω. Величина v характеризует  скорость перемещения точек, сохраняющих  одну и ту же фазу волны. Зависимость v=f(ω) называют дисперсией. Через скорость находится длина волны λ=vT_v.

При переходе электромагнитной волны из одной среды в другую по нормали к граничной поверхности формируется отраженная волна. При наложении обеих волн образуется стоячая волна, характеризуемая коэффициентом стоячей волны по напряжению k_стU = E_max / E_min или коэффициентом бегущей волны по напряжению k_δu = l / k_стU. Максимумы стоячей волны получаются там, где действующие значения напряженности падающей и отраженной волн складываются, а минимумы — там, где они вычитаются.

Параметры проводящих материалов на частоте 1010Гц
Материал	Удельная проводимость, МСм/м	Длина волны, мкм	Zc, Ом	δ, мкм
Медь  Алюминий  Вольфрам  Нихром  Графит	58  37,2  18,1  1,0  0,125	4,2  5,14  7,41  31,5  89,5	0,037  0,046  0,066  0,281  0,795	0,66  0,82  1,18  5,03  14,25

 

Приведенные Формулы указывают  на возможность получить требуемый  результат, основываясь на законах  геометрической оптики или теории длинных  линий. При применении второго подхода  для расчета параметров сигналов СВЧ реальную систему «источник  излучения — объект контроля —  приемник» заменяют моделью в  виде длинной линии с такими же волновыми сопротивлениями и  размерами, как в реальной системе. Вариант построения такой модели показан ниже. Электромагнитные параметры  слоев изделия (ε_i, μ_i, γ_i) учитываются через комплексные волновые сопротивления Z_i отрезков длинной линии. Входное сопротивление приемника и выходное сопротивление источника излучения (генератора) учитываются волновыми сопротивлениями Z_п и Z_г.

Дефект в виде расслоения заменяется в модели плоскопараллельным слоем такой же толщины, как дефект. Амплитуда сигнала от дефекта  уменьшается пропорционально площади, занимаемой дефектом относительно площади  контролируемой зоны. 
 

 

 

 

 

 

 

   

 

Соизмеримость длины волны  излучения СВЧ с размерами  элементов радиоволнового тракта обусловливает  сложный характер электромагнитного  поля в системе контроля. По этой причине методика оценки сигналов в  системе имеет характерную особенность. Если расстояние между границами  различных однородных сред, составляющих исследуемый объект, превышает длину  волны в материале, компоненты электромагнитной волны оценивают на основе законов геометрической оптики.

В противном случае предпочтительнее применение импедансного метода. В  обоих случаях получаемые оценки сигналов в системе приближенные и не исключено появление больших  ошибок. Поэтому рекомендуется пользоваться расчетным методом для определения  относительных значений величин  — изменения амплитуд сигналов при  малых изменениях параметров исследуемого предмета или условий контроля. Что  касается абсолютных значений сигналов, их следует оценивать экспериментально.

 

Методы радиоволнового неразрушающего контроля

Активный радиоволновой  метод - это метод радиоволнового неразрушающего контроля, при котором объект контроля подвергается воздействию источника радиоволнового излучения

 Пассивный радиоволновой  метод - это метод радиоволнового  неразрушающего контроля, при котором  источником радиоволнового излучения  является объект контроля

Амплитудный радиоволновой  метод – это метод радиоволнового неразрушающего контроля, основанный на регистрации амплитуды радиоволн, взаимодействующих с объектом контроля

Фазовый радиоволновой метод - это метод радиоволнового неразрушающего контроля, основанный на регистрации  фаз радиоволн, взаимодействующих  с объектом контроля

Амплитудно-фазовый радиоволновой метод – это метод радиоволнового неразрушающего контроля, основанный на регистрации амплитуды и фаз радиоволн, взаимодействующих с объектом контроля

Временной радиоволновой  метод – это активный метод радиоволнового неразрушающего контроля, основанный на регистрации времени прохождения радиоволн через объект контроля

 Геометрический радиоволновой метод – это активный метод радиоволнового неразрушающего контроля, основанный на регистрации пространственного положения максимума интенсивности пучка радиоволнового излучения, прошедшего через объект контроля или отраженного от его задней поверхности

Частотно-фазовый радиоволновой метод – это активный фазовый радиоволновой метод, основанный на регистрации фаз радиоволн, взаимодействующих с объектом контроля, при изменении частоты генератора

Поляризационный радиоволновой метод – это метод радиоволнового неразрушающего контроля, основанный на регистрации поляризации радиоволн, взаимодействующих с объектом контроля

 Поляризационно-фазовый радиоволновой метод – это активный фазовый радиоволновой метод, основанный на изменении поляризации радиоволн

Эллипсометрический радиоволновой метод – это активный метод радиоволнового неразрушающего контроля, основанный на регистрации изменений параметров эллиптически поляризованного радиоволнового излучения в результате его взаимодействия с объектом контроля

 Резонансный радиоволновой  метод – это метод радиоволнового неразрушающего контроля, основанный на регистрации резонанса и его параметров в системе преобразователь-объект контроля

Радиоволновой метод запаздывающей обратной связи – это активный метод радиоволнового неразрушающего контроля, основанный на регистрации времени или фазы запаздывания сигнала обратной связи преобразователя

 Спектральный радиоволновой метод – это метод радиоволнового неразрушающего контроля, основанный на регистрации спектра радиоволнового излучения

 Голографический радиоволновой  метод – это активный метод радиоволнового неразрушающего контроля, основанный на голографии

 Радиоволновой метод преобразования типа волны – это активный метод радиоволнового неразрушающего контроля, основанный на регистрации типа волны и изменений его структуры в результате взаимодействия с объектом контроля

Метод прошедшего радиоволнового излучения – это метод радиоволнового неразрушающего контроля, основанный на регистрации параметров прошедшего через объект контроля радиоволнового излучения

 Метод отраженного радиоволнового излучения – это активный метод радиоволнового неразрушающего контроля, основанный на регистрации параметров отраженного от объекта контроля радиоволнового излучения

 Метод рассеянного радиоволнового излучения – это метод радиоволнового неразрушающего контроля, основанный на регистрации параметров радиоволнового излучения, рассеянного объектом контроля

 Радиоволновой метод свободного пространства – это метод радиоволнового неразрушающего контроля, основанный на регистрации параметров радиоволнового излучения после взаимодействия с объектом контроля, расположенным вне преобразователя или его элементов

Радиоволновой метод биений – это активный спектральный радиоволновой метод, основанный на регистрации низкочастотного спектра биений, образованный взаимодействием непрерывного частотно-модулированного радиоволнового излучения с объектом контроля

Радиоволновой метод поверхностных волн – это активный радиоволновой метод, основанный на анализе поверхностных волн, возбужденных в связанных диэлектрических волноводах, одним из которых является объект контроля, а другим - расположенная параллельно ему активная диэлектрическая антенна поверхностных волн

 Детекторный радиоволновой метод – это метод радиоволнового неразрушающего контроля, основанный на регистрации параметров радиоволнового излучения детектором

 Болометрический радиоволновой метод – это метод радиоволнового неразрушающего контроля, основанный на регистрации параметров радиоволнового излучения болометром

Термисторный радиоволновой метод – это метод радиоволнового неразрушающего контроля, основанный на регистрации параметров радиоволнового излучения термистором

Радиоволновой метод фотоуправляемой полупроводниковой пластины – это метод радиоволнового неразрушающего контроля, основанный на применении в качестве реактивного зонда фотоуправляемой полупроводниковой пластины или пленки, толщина которой значительно меньше рабочей длины волны