Способ акустико-эмиссионного контроля металлических объектов и устройство для его осуществления
METHOD OF ACOUSTIC EMISSION MONITORING OF METAL OBJECTS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области технической диагностики и неразрушающего контроля конструкций с использованием метода акустической эмиссии и может быть использовано для периодического контроля и мониторинга состояния крупногабаритных объектов, включая сосуды давления, трубопроводы, мосты, железнодорожные, авиационные и космические конструкции.
Известен акустико-эмиссионный способ диагностирования конструкций (см. патент RU №2175129 от 19.03.2001), включающий определение схемы расположения пьезоэлектрических датчиков и их необходимое количество предварительно до нагружения диагностируемой конструкции, последовательную многоканальную оцифровку волновой формы импульсов акустико-эмиссионных сигналов, поступающих со всех каналов в процессе нагружения конструкции, их предварительную обработку, демодуляцию, фильтрацию, определение моментов времени прихода импульсов акустико-эмиссионных сигналов по периоду дискретизации, вычисление по ним координат их источников, анализ параметров импульсов акустико-эмиссионных сигналов и оценку степени опасности источников сигналов как возможных дефектов диагностируемой конструкции посредством центрального процессора персональной электронно-вычислительной машины, осуществляющей цикл последовательной многоканальной оцифровки волновой формы одного импульса акустико-эмиссионного сигнала, поступающего со всех каналов, с периодом дискретизации, максимально приближенным к резонансному полупериоду импульсов, возбуждаемых пьезоэлектрическими датчиками, не превышая его, при этом выполняют оцифровку волновой формы каждого нового импульса акустико-эмиссионного сигнала с новым пороговым значением равным 0,5-0,9 от максимальной амплитуды предыдущего импульса акустико-эмиссионного сигнала до тех пор, пока амплитуда импульсов акустико-эмиссионных сигналов, поступающих по всем каналам, не станет меньше установленного порогового значения в предшествующем цикле, тогда пороговое значение по истечении более чем одного максимального интервала времени распространения импульсов акустико-эмиссионных сигналов постепенно снижают до минимального уровня.
Недостатком данного способа является то, что после приема каждого импульса, существенно превышающего порог срабатывания системы, происходит увеличение порога на величину, сравнимую с амплитудой принятого импульса, и некоторое время способ имеет завышенную чувствительность контроля. В этом случае часть сигналов с максимальной амплитудой, не превышающей порог срабатывания системы, не регистрируется, что приводит к потере части информации о развитии дефектов в объекте контроля. Кроме того, при повышенной активности источников акустической эмиссии, в том числе шумовых, часть из них не будет зарегистрирована.
Известно устройство регистрации сигналов акустической эмиссии (см. патент RU №2251688 от 10.05.2005), включающее цифровой пиковый детектор, измеряющий амплитуду при наличии разрешающего уровня, который поступает с компаратора и возникает при превышении пульсацией напряжения дискриминации, устанавливаемого источником опорного напряжения, а также буферный регистр с интерфейсом связи с ЭВМ, в который записывается код измеренного пикового напряжения с двоичного счетчика, подсчитывающего число тактовых импульсов задающего генератора между двумя соседними пульсациями, а также блок управления, инициирующий приход пульсации «нулевой» амплитуды, если интервал времени между ними превысит заданное критическое значение.
Основным недостатком данного устройства является невозможность регулирования чувствительности каналов в процессе испытания и, следовательно, неконтролируемая регистрация шумов, не связанных с развитием источников акустической эмиссии и невозможность оценивать объемы потерянной информации в связи с изменениями чувствительности.
Наиболее близким к предлагаемому решению является способ определения координат источников сигналов акустической эмиссии на металлической конструкции (см. патент RU №2356043 от 27.06.2007), включающий установку п акустических преобразователей на конструкции, определение скорости распространения сигналов акустической эмиссии на конструкции и разности их времен прихода на акустические преобразователи, вычисление по ним координат источника сигналов акустической эмиссии; в зону, ограниченную пьезоантенной, устанавливается акустический преобразователь имитатора, а расчет времен прихода сигналов акустической эмиссии на акустические преобразователи, составляющие пьезоантенну, производится по отфильтрованным с использованием вейвлет-фильтрации сигналам, рассчитывается погрешность определения координат акустического преобразователя имитатора, подбираются пороговые значения по амплитуде коэффициентов для вейвлет-фильтрации, при которых погрешность определения координат акустического преобразователя имитатора принимает минимальное значение, изменяется частотный диапазон вейвлет-фильтрации до тех пор, пока погрешность определения координат акустического преобразователя имитатора не примет минимальное значение, после чего металлическая конструкция нагружается, а по полученным параметрам вейвлет-фильтрации производится фильтрация сигналов акустической эмиссии и определение их координат.
Недостатком способа, принятого за прототип, является то, что при наличии большого потока сигналов АЭ, часть сигналов не регистрируется, попадая в мертвое время, что приводит к потере информации, то есть способ не позволяет определять количество сигналов и использовать их параметры для оценки степени опасности дефекта.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является многоканальное акустико-эмиссионное устройство для контроля изделий (см. патент RU №2150698 от 10.06.2000), состоящее из 1…n блоков, каждый из которых содержит четыре измерительных канала, состоящих из последовательно соединенных акустического преобразователя, предварительного усилителя, фильтра, пикового детектора, выход которого соединен с инвертирующим входом компаратора, а также содержит цифроаналоговый преобразователь, выход которого подключен к неинвертирующему входу компаратора, а также коммутатор каналов, основной усилитель, аналого-цифровой преобразователь, оперативное запоминающее устройство и таймер, в устройстве последовательно соединены коммутатор каналов, основной усилитель, аналого-цифровой преобразователь, оперативное запоминающее устройство, выход которого соединен с первым входом устройства сопряжения, причем четыре входа коммутатора каналов соединены с выходами фильтров каналов и входами пиковых детекторов соответствующих каналов, а входы цифроаналоговых преобразователей четырех каналов блока объединены и соединены с первым выходом устройства сопряжения, выходы компараторов каждого канала подключены ко входам таймера, выход которого соединен со вторым входом оперативного запоминающего устройства, второй выход устройства сопряжения соединен с третьим входом таймера, а третий выход устройства сопряжения соединен с шиной компьютера.
К числу недостатков данного устройства относится отсутствие связи порогового устройства с количеством регистрируемых актов АЭ, что при большом числе этих актов и высокой активности источников на крупных объектах приводит к отсутствию контроля за потоковыми параметрами АЭ, в том числе за суммарным счетом, что способствует потере АЭ информации, неадекватной оценке ситуации оператором и невозможности предотвращения аварийной ситуации в случае наличия опасных, критически активных источников АЭ.
Основная техническая задача данного изобретения повышение достоверности оценки степени опасности источников сигналов, как возможных дефектов диагностируемой конструкции, за счет восстановления АЭ сигналов (суммарного счета) от развивающихся, потенциально опасных источников на заданном уровне чувствительности.
min
max
Поставленная задача решается за счет того, что в предлагаемом способе акустико-эмиссионного контроля металлических объектов, включающем установку n акустических преобразователей на конструкции, подбор пороговых значении по амплитуде, нагружение конструкции, определение скорости распространения сигналов акустической эмиссии на конструкции и разности их времен прихода на акустические преобразователи, вычисление по ним координат источника сигналов акустической эмиссии, при этом в процессе нагружения объекта дополнительно измеряют значение активности АЭ событий с заданным интервалом времени (0,5-10 с) для каждого канала, при снижении активности ниже минимально заданного значения A снижают пороговый уровень по амплитуде в два раза, а при превышении активности заданного значения А пороговый уровень по амплитуде повышают в два раза, после чего строят амплитудное распределение событий от каждого источника, определяют параметры степенной связи амплитуды с частотой ее регистрации по значениям амплитуд, которые превышают максимальный порог срабатывания системы, достигнутый на протяжении всего испытания на канале, затем проводится аппроксимация полученной степенной зависимости до уровня амплитуды, соответствующей минимально допустимой величине амплитуды акта акустической эмиссии и, исходя из полученных значений амплитуд, определяют потоковые параметры, такие как восстановленное число АЭ сигналов (суммарный счет), которые используют для оценки состояния объекта.
min
mах
Предварительно перед проведением эксперимента программно задаются минимальное A и максимальное А значения активности. При этом все моменты времени изменения значения порогов и коэффициентов усиления фиксируются АЭ системой. Кроме того, при обработке АЭ сигналов происходит локализация источника.
Для анализа состояния источников акустической эмиссии по окончанию испытаний на основании массива зарегистрированных сигналов акустической эмиссии строится график распределения частоты появления сигналов с определенной амплитудой в логарифмическом масштабе. Частота p(U) определяется по формуле:
i
1
i+1
i
i
i+1
где U - граничное значение амплитуды, изменяющейся от 1 до n (номер интервала), причем U соответствует минимальному пороговому значению на амплитудном компараторе, которое было зафиксировано за все время испытаний; U=2U;  - число сигналов, имеющих максимальную амплитуду в диапазоне значений от U до U.
По полученным точкам, включающим значения частоты регистрации сигналов с высокими значениями амплитуды сигналов, определяют интервал устойчивой эмпирической зависимости p(U) от U.
n
Затем, на основании требований к объекту и ослабления сигнала на пути от источника до преобразователей определяется амплитудный порог U, выше которого сигналы подлежат регистрации и использованию для определения степени опасности источника акустической эмиссии, ниже которого сигналы в дальнейшей обработке данных не учитываются. Далее осуществляется аппроксимация данных, с использованием экспериментальной зависимости определяется восстановленное количество сигналов от источника по формуле:
А на основании рассчитанного параметра с учетом восстановленных незарегистрированных сигналов путем аппроксимации данных судят о степени опасности источника.
Устройство для акустико-эмиссионного контроля металлических объектов, состоящее из 1…n блоков, каждый из которых содержит четыре измерительных канала, состоящих из последовательно соединенных акустического преобразователя, предварительного усилителя, фильтра, пикового детектора, выход которого соединен с инвертирующим входом компаратора, а также содержит цифроаналоговый преобразователь, выход которого подключен к неинвертирующему входу компаратора, таймера, а также последовательно соединенные коммутатор каналов, основной усилитель, аналого-цифровой преобразователь, оперативное запоминающее устройство, выход которого соединен с первым входом устройства сопряжения, причем четыре входа коммутатора каналов соединены с выходами фильтров каналов и входами пиковых детекторов соответствующих каналов, а входы цифроаналоговых преобразователей четырех каналов блока объединены и соединены с первым выходом устройства сопряжения, выходы компараторов каждого канала подключены к входам таймера, первый выход которого соединен со входом оперативного запоминающего устройства, второй выход устройства сопряжения соединен с шиной компьютера, дополнительно содержит счетчик сигналов, причем вход счетчика сигналов соединен со вторым выходом таймера, а выход со вторым входом устройства сопряжения, а третий выход устройства сопряжения соединен с основным усилителем.
На фиг. 1 представлен график распределения частоты попадания сигналов в интервал со средней амплитудой и амплитудным порогом, на фиг. 2 приведена функциональная схема устройства, реализующего способ акустико-эмиссионного контроля.
Многоканальное акустико-эмиссионное устройство для контроля изделий металлических объектов, состоящее из 1…n блоков, каждый из которых содержит четыре измерительных канала 1, состоящих из последовательно соединенных акустического преобразователя 2, предварительного усилителя 3, фильтра 4, пикового детектора 5, выход которого соединен с инвертирующим входом компаратора 6, а также содержит цифроаналоговый преобразователь 7, выход которого подключен к неинвертирующему входу компаратора 6, таймера 8, а также последовательно соединенные коммутатор каналов 9, основной усилитель 10, аналого-цифровой преобразователь 11, оперативное запоминающее устройство 12, выход которого соединен с первым входом устройства сопряжения 13, причем четыре входа коммутатора каналов 9 соединены с выходами фильтров 4 каналов и входами пиковых детекторов 5 соответствующих каналов, а входы цифроаналоговых преобразователей 7 четырех каналов блока объединены и соединены с первым выходом устройства сопряжения 13, выходы компараторов 6 каждого канала подключены к входам таймера 8, первый выход которого соединен с входом оперативного запоминающего устройства 12, второй выход устройства сопряжения 13 соединен с шиной компьютера 14, счетчик сигналов 15, причем вход счетчика сигналов 15 соединен со вторым выходом таймера 8, а выход со вторым входом устройства сопряжения 13, а третий выход устройства сопряжения 13 соединен с основным усилителем 10.
min
mах
min
mах
Предложенный способ реализуется следующим образом. На металлический объект контроля устанавливают пьезоантенну, которая состоит их трех или более акустических преобразователей 2. Перед началом работы в регистры цифроаналоговых преобразователей 7 записываются значения пороговых напряжений, которые устанавливаются выше аппаратных и акустических шумов в данном канале. Затем программируется таймер 8, записываются времени отсечки приема сигналов АЭ, количество измерений, осуществляемых аналого-цифровым преобразователем 11. При этом компараторы 6 сбрасываются в исходное состояние, разрешается работа счетчика адреса оперативного запоминающего устройства 12. При нагружении конструкции сигналы акустической эмиссии поступают на пьезоэлектрические преобразователи 2 и преобразуются ими в электрические сигналы. Далее акустический сигнал усиливается предварительным усилителем 3, проходит через фильтр 4 и поступает на вход пикового детектора 5, который выделяет огибающую сигнала акустической эмиссии и запоминает амплитуду сигнала. Выходной сигнал пикового детектора 5 поступает на инвертирующий вход компаратора 6. На неинвертирующий вход компаратора 6 с выхода цифроаналогового преобразователя 7 задается пороговый уровень, который устанавливается по команде с устройства сопряжения 13 и должен превышать аппаратные и акустические шумы данного канала. При превышении сигналом с выхода пикового детектора 5 уровня порога обнаружения соответствующего канала компаратор 6 срабатывает и запускается таймер 8 на отсчет времени прихода сигнала АЭ. Программа обработки на шине компьютера 14, анализируя число сигналов за заданный интервал времени, через устройство сопряжения 13 и цифро-аналоговый преобразователь 7 изменяет порог, сравнивая на амплитудном компараторе 6 значения установленного порога и амплитуды приходящего сигнала, или изменяет коэффициент усиления через основной усилитель 10, изменяя при этом чувствительность канала. Счетчик сигналов 15 определяет число срабатываний амплитудного компаратора 6, происходящих в каждый заданный временной интервал (А - активность) и информация поступает через устройство сопряжения 13 в шину компьютера 14, где сравнивается с заданным интервалом допустимых значений числа сигналов за интервал времени регистрации сигналов АЭ (A<А<А). Если число сигналов принятых каждым каналом входит в этот интервал, то регистрация новых сигналов происходит без изменения режима приема. Если же на счетчике сигналов 15 число сигналов на одном или нескольких каналах меньше минимального порога числа сигналов за единицу времени А<A, то устройство сопряжения 13 на этом канале через цифро-аналоговый преобразователь 7 задает команду уменьшения величины порога на амплитудном компараторе 6 канала или увеличения коэффициента усиления на основном усилителе 10. В случае превышения числа сигналов принятых за единицу времени А>А одним или несколькими каналами устройство сопряжения 13 через цифро-аналоговый преобразователь 7 подает команду увеличения величины порога на амплитудном компараторе 6 канала или уменьшения коэффициента усиления на основном усилителе 10.
Таким образом, устройство АЭ контроля регулируент чувствительность в зависимости от интенсивности поступающей АЭ информации. В случае большого потока сигналов на одном или нескольких каналах, система регистрирует только самые энергоемкие сигналы на этих каналах, которые несут основную информацию о разрушениях, происходящих в источнике. В то же время чувствительность на других каналах не снижается. Если же поток сигналов на каналах слабый, то устройство в режиме реального времени повышает чувствительность и позволяет получить информацию о слабых источниках - дефектах, находящихся на стадии зарождения.
После регистрации АЭ сигналов для каждого источника в зависимости от местоположения источников в процессе анализа АЭ информации строят графики плотности вероятности амплитудного распределения сигналов в зависимости от величины амплитуды, а для всех сигналов, не отнесенных к источникам, общее распределение плотности распределения таких сигналов по амплитуде.
Далее определяют максимальный порог срабатывания, который был во время регистрации сигналов по каждому каналу по формуле:
п
к
mах
min
где U - амплитудный порог канала; U - максимальное пороговое значение на компараторе за все время испытаний; K - максимальный коэффициент усиления основного усилителя системы; K - минимальный коэффициент усиления основного усилителя за все время испытаний.
п
Для полученных распределений по объекту и каждому источнику определяется корреляционная кривая по значениям амплитуды, превышающим U, которая затем аппроксимируется до значений, соответствующих минимальной амплитуде сигналов от источников, которые подлежат выявлению акустико-эмиссионным методом.
Далее проводят восстановление количества сигналов от источника с использованием экспериментально определенной корреляционной кривой распределения сигналов по амплитудам по формуле:
где p(U) - частоты появления сигналов с определенной амплитудой; dU - бесконечно малое приращение амплитуды U.
i
i+1
i
i
i+1
Частота p(U) определяется по формуле:  где U - граничное значение амплитуды, изменяющейся от 1 до n (номер интервала), соответствующее минимальному пороговому значению на амплитудном компараторе, U=2U;  - число сигналов, имеющих максимальную амплитуду в диапазоне значений от U до U и используют эти данные для определения потенциальной опасности каждого источника АЭ на объекте.
min
mах
min
max
Пример. Предложенный способ был экспериментально опробован на сосуде давления, который выполнен из стали Ст 20. Основные геометрические параметры сосуда: длина 1150 мм, диаметр днища 219 мм, толщина днища 45 мм, толщина стенки обечайки 5 мм. Соединены днища с обечайкой при помощи ручной дуговой сварки, выполненной по ГОСТ 5264-80. До начала проведения эксперимента сосуд был полностью наполнен водой (30 л) и установлен в вертикальном положении. Два отверстия диаметрами 20 мм и 10 мм, имеющиеся в верхнем днище, после заполнения сосуда водой были герметично закрыты болтами М20 и М10 соответственно. На сосуд устанавливали акустическую антенну из четырех преобразователей акустической эмиссии, два из которых были расположены в нижней части на одинаковом расстоянии друг от друга, два других в верхней части на одинаковом расстоянии друг от друга. Преобразователи подключали к разным каналам акустико-эмиссионной системы СЦАД 16.03 (свидетельство RU.C.27.007.A №39729, зарегистрировано в Государственном реестре средств измерений №18892-10). Статическое нагружение сосуда осуществляли с помощью насосной станции, так в сосуде создавалось избыточное давление путем подачи дополнительного количества воды через отверстие в нижнем днище диаметром 20 мм. Чувствительность каналов калибровали с помощью имитатора Су-Нильсена. Перед началом проведения эксперимента программно были заданы минимальное (A=2 сигнала/сек) и максимальное (А=20 сигналов/сек) значения активности. Было проведено 10 статических нагружений со скоростью 3…5 Мпа/мин. Максимальное создаваемое давление составило 10 Мпа. Прием, регистрацию и оценку параметров сигналов акустической эмиссии осуществляли с момента времени прихода первого сигнала. Затем производили оцифровку акустических сигналов с частотой дискретизации 2 МГц, их предварительную обработку и фильтрацию помех. Минимальный коэффициент усиления K основного усилителя системы за все время испытаний составил 260. Максимальный коэффициент усиления K основного усилителя системы за все время испытаний составил 1600. Максимальное пороговое значение на компараторе за все время испытаний было 48 мкВ. Для дальнейшего расчета использовались сигналы, локализованные от выделенного источника сигналов АЭ. Для анализа состояния источника АЭ на основании массива зарегистрированных данных рассчитывалась частота появления сигналов p(U) с определенной амплитудой U. Данные приведены в таблице 1.
n
n
B
Затем построили график распределения частоты появления сигналов с определенной амплитудой в логарифмическом масштабе и рассчитали амплитудный порог U=295 мкВ. Осуществили аппроксимацию данных, расположенных выше рассчитанного амплитудного порога U и рассчитали восстановленное число АЭ сигналов (суммарный счет) от источника по формуле:  (N=7670).
Согласно ПБ 03-593-03 «Правила организации и проведения акустико-эмиссионного контроля сосудов, аппаратов, котлов и технологических трубопроводов» оценку состояния объекта проводили, используя интегрально-динамический критерий.
-2
-6
2
Число АЭ сигналов (суммарный счет) использовали при расчете коэффициента концентрации источника (П3.4.1. С=479,4 см) и суммарной энергии (П3.4.2. E=8⋅10 мкВ).
Затем согласно П3.4.3 оценили положение точки на плоскости в координатах IgC - IgE (таблица 2) и установили ранг источника - 4. Положение разграничивающих линий определяли по предварительным экспериментам.
В соответствии с П3.4.4 сформировали величину Р=0,75, характеризующую динамику энерговыделения источника на интервале наблюдения. Из П3.4.5. установили тип источника (так как Р>1, то Тип 4) согласно таблице 3.
По пункту П3.4.6. произвели классификацию источника (IV) согласно таблице 4.
Согласно ПБ 03-593-03 контролируемый объект был забракован.
С учетом восстановленных сигналов классификация источника АЭ будет более точной, следовательно, повысится и достоверность оценки степени опасности источника сигналов.