Устройство для бесконтактного контроля напряженно-деформированного состояния и уровня поврежденности металлических конструкций

Полезная модель относится к области неразрушающего контроля электромагнитно-акустическим методам напряженно-деформированного состояния и уровня поврежденности металлических конструкций.
эм
с
зм
с
эм
зм
с
sm
Известен способ бесконтактного ультразвукового контроля и устройство для его осуществления (по авт. св. №1647383, G01N 29/04), состоящее из электромагнита, приемно-излучающей системы, контролируемого изделия, дополнительной приемной катушки, размещенной между полюсом электромагнита и контрольным образцом, последовательно соединенных блока сравнения и электромагнитно-акустического дефектоскопа, генератора зондирующих импульсов, измерителя пиковых значений тока возбуждения, резистора, подключенного к обмотке возбуждения. Сущность способа заключается в том, что контроль параметров изделий осуществляется не при постоянном режиме возбуждения приемно-излучающей системы, а режим подбирается каждый раз в соответствии с конкретным электрофизическим состоянием контролируемого изделия. Это достигается тем, что предварительно возбуждают акустические колебания в системе «контрольный образец - эталонное изделие» при энергии электромагнитного поля возбуждения, равной Е, регистрируют амплитуду А акустического сигнала в контрольном образце и считают ее исходно заданной, затем возбуждают акустические колебания в системе «контрольный образец - контролируемое изделие» при энергии электромагнитного поля возбуждения, равной Е, регистрируют амплитуду А акустического сигнала в контрольном образце, в блоке сравнения сравнивают ее с исходно заданной и по их различию, изменяя ток возбуждения, устанавливают новое значение энергии электромагнитного поля возбуждения Е=К×Е, где К=А/А - коэффициент, определяемый электрофизическими свойствами контролируемого и эталонного изделия, регистрируют акустический сигнал в контролируемом изделии при новом значении электромагнитного поля возбуждения E и по его параметрам судят о качестве.
Недостатком указанного технического решения является отсутствие возможности количественной оценки напряженно-деформированного состояния и поврежденности металлоконструкций, связанное с ограниченностью используемых диагностических параметров.
Известно электромагнитно-акустическое устройство (патент RU 2315295, G01N 29/04, опубл. 20.01.2008), предназначенное для измерения толщины объекта контроля или параметров дефекта материала объекта, содержащее последовательно соединенные синхронизатор, источник питания генератора, генератор зондирующих импульсов, выполненный на разряднике, электромагнитно-акустический преобразователь, приемный усилитель, аналого-цифровой преобразователь, арифметическо-логический блок, индикатор, источник питания аналоговых схем блоков устройства и объект диагностики. Дополнительно в устройство введены измеритель зазора и схема установки частоты. Техническим результатом изобретения является высокая точность диагностики, достигаемая измерением текущего зазора между преобразователем и объектом диагностики измерителем зазора, выходной сигнал которого обеспечивает автоматическую коррекцию частоты генератора. Это позволяет расширить диапазон диагностики объектов с большим разбросом электрической проводимости его материала и чистоты обработки поверхности. В арифметико-логическом блоке осуществляется обработка информационного сигнала, в том числе сравнение сигналов с пороговым уровнем, и запоминание информации.
Недостатком указанного технического решения является отсутствие возможности количественной оценки напряженно-деформированного состояния и поврежденности металлоконструкций.
Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату (прототип) является устройство для бесконтактных измерений «АСБАТ» и комплексный электромагнитно-акустический (ЭМА) преобразователь к нему (Щипаков Н.А., «Разработка методики и аппаратуры акустической тензометрии трубопроводов». Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук, Москва, 2012), предназначенное для определения интегрального значения напряжений по толщине стенки трубопровода, а также головных волн для определения поверхностных значений напряжений.
Конструктивно АСБАТ состоит из измерительно-вычислительного блока, ЭМА-преобразователя и соединительного кабеля. Дискретно регулируемый генератор зондирующих импульсов позволяет для используемого ЭМАП выбрать длительность возбуждающего импульса. Точность и дискретность установки определяется кварцевым генератором. Многоканальный выходной усилитель мощности усиливает импульс с генератора зондирующих импульсов до необходимого уровня возбуждения индуктора ЭМАП и подает его на выбранный канал излучения. Аналого-цифровой преобразователь производит перевод аналогового сигнала в цифровую форму. Микроконтроллер производит обработку и отображение информации с возможностью записи в оперативное запоминающее устройство. Контроллер скоростного последовательного порта USB осуществляет связь измерительно-вычислительного блока с процессорным модулем. В измерительно-вычислительный блок заложены алгоритмы определения одноосного и двухосного напряженного состояния. В основу акустических измерений для решения данной задачи положена методика амплитудно-временных измерений. Данная методика подразумевает алгоритм измерения синфазных точек на осциллограмме многократно отраженных импульсов в случае использования объемных (для определения интегрального значения напряжений по толщине) и головных волн (для определения поверхностных значений напряжения).
Недостатком указанного технического решения является трудоемкость предварительных расчетов и выделения диагностической информации из сигнала с использованием методики амплитудно-временных измерений.
Цель полезной модели - создание устройства для бесконтактного контроля напряженно-деформированного состояния и уровня поврежденности металлических конструкций с достижением следующего технического результата: упрощение выделения диагностической информации из сигнала и расширение функциональных возможностей устройств бесконтактной оценки напряженно-деформированного состояния и уровня поврежденности металлических конструкций путем комплексной оценки диагностических параметров исследуемого сигнала, количественного определения напряженно-деформированного состояния и уровня поврежденности за счет использования передаточной функции системы «объект контроля - электромагнитно-акустический преобразователь».
Указанная цель достигается тем, что устройство для бесконтактного контроля напряженно-деформированного состояния и уровня поврежденности металлических конструкций, состоящее из генератора зондирующих импульсов, источника питания генератора, электромагнитно-акустического преобразователя, приемного усилителя, аналого-цифрового преобразователя, источника питания схем блоков устройства, отличающееся тем, что снабжено блоком динамической идентификации, блоком искусственной нейронной сети, блоком связи, блоком отображения информации и блоком хранения информации, у входа электромагнитно-акустического преобразователя расположен объект контроля, к выходу электромагнитно-акустического преобразователя через аналого-цифровой преобразователь последовательно подключены блок динамической идентификации и блок искусственной нейронной сети, которые осуществляют комплексную оценку диагностических параметров исследуемого сигнала и производят количественную оценку напряженно-деформированного состояния и уровня поврежденности металлической конструкции, анализируя корни характеристического полинома передаточной функции системы «объект контроля - электромагнитно-акустический преобразователь».
На фиг. 1 представлена структурная схема устройства.
Устройство содержит источник питания 1, генератор зондирующих импульсов 2, электромагнитно-акустический преобразователь 3, приемный усилитель 4, аналого-цифровой преобразователь 5, блок динамической идентификации 6, блок искусственной нейронной сети 7, блок связи 8, блок хранения информации 9, блок отображения информации 10, объект контроля 11, источник питания схем блоков устройства 12.
Устройство работает следующим образом.
Генератор зондирующих импульсов 2 подключен к источнику питания. С генератора зондирующих импульсов 2 сигнал с заданными параметрами поступает в электромагнитно-акустический преобразователь 4. Блок аналого-цифрового преобразования 5 осуществляет преобразование поступающей информации от электромагнитно-акустического преобразователя из аналоговой в цифровую форму.
Блок динамической идентификации 6 считывает сигналы, поступающие с блока 5 аналого-цифрового преобразования. Путем аппроксимации кривой сигнала электромагнитно-акустического преобразователя 4 и последующей идентификации с помощью специальной компьютерной программы (ТАУ 2, версия 2.0 для Windows. URL: http://www.ahtp.rusoil.net/tauwin.htm), определяется передаточная функция системы «объект контроля - электромагнитно-акустический преобразователь». Далее определяются корни характеристического полинома передаточной функции (знаменателя передаточной функции).
Передаточная функция исследуемой системы «электромагнитно-акустический преобразователь - объект контроля», является интегральным параметром для комплексной оценки изменения механических, акустических и электрофизических свойств образцов металла в процессе изменения напряженно-деформированного состояния и накопления повреждений.
Оценка состояния металла осуществляется по расположению корней характеристического полинома на комплексной плоскости. Существует область, внутри которой располагаются корни характеристического уравнения знаменателя передаточной функции, эта область определяет степень устойчивости (фиг. 2). Переход из упругой области деформации в упругопластическую и пластическую рассматривается как потеря устойчивости системы.
На фиг. 2 при пересечении линии L происходит переход из упругой области деформации в упругопластическую и пластическую.
n
n
n
Информация с выхода блока динамической идентификации 6 поступает в блок искусственной нейронной сети 7, который содержит специально обученную нейронную сеть, способную провести оценку напряженно-деформированного состояния и уровня поврежденности металлической конструкции по координатам расположения корней характеристического полинома передаточной функции на комплексной плоскости. Входами нейронной сети являются диагностические параметры, изменяющиеся от уровня поврежденности и напряженно-деформированного состояния металлических конструкций, такие как, значения действительной х и мнимой части y комплексных корней характеристического полинома, а также аргументы arg комплексных корней характеристического полинома, вычисленные в блоке динамической идентификации.
Совокупность значений диагностических параметров анализируются в блоке искусственной нейронной сети, который выдает результат I-уровень напряженно-деформированного состояния и поврежденности металлического изделия:
где m - число входов параллельно действующих линейных элементов;
j0
W - пороговый коэффициент;
ji
W - весовой коэффициент i-гo входа j-го нейрона;
D(x) - диагностический параметр, характеризующий значение действительной части комплексного корня характеристического уравнения передаточной функции;
D(y) - диагностический параметр, характеризующий значение мнимой части комплексного корня характеристического уравнения передаточной функции;
D(arg) - диагностический параметр, характеризующий значение аргумента комплексного корня характеристического полинома передаточной функции.
Информация с блока искусственной нейронной сети 7 через блок связи 8 передается в блоки хранения 9 и отображения информации 10.
Блок 9 служит для хранения данных о состоянии образца контроля. Блок 10 служит для отображения диагностической информации о состоянии объекта контроля.
Объектом контроля 11 является электропроводящее металлическое изделие.