METHOD OF NON-THRESHOLD AUTOMATIC INTELLECTUAL REGISTRATION OF ACOUSTIC EMISSION SIGNALS BY NON-DESTRUCTIVE CONTROL DEVICE
Способ беспороговой автоматической интеллектуальной регистрации сигналов акустической эмиссии устройством неразрушающего контроля

1. Область техники
Изобретение относится к области технической диагностики и неразрушающего контроля с применением метода акустической эмиссии (АЭ) и направлено на автоматизацию процесса сбора данных и повышение точности при определении координат (локации) источников АЭ во время проведения диагностирования.
2. Уровень техники
Традиционным способом регистрации сигналов акустической эмиссии является пороговый метод по ПБ 03-593-03. Правила организации и проведения акустико-эмиссионного контроля сосудов, аппаратов, котлов и технологических трубопроводов, утвержденных Постановлением Госгортехнадзора России от 9 июня 2003 г. N 77, который заключается в том, что импульс АЭ считается обнаруженным в момент, когда отсчеты сигнала АЭ превышают определенное пороговое значение. У метода пороговой регистрации есть два основных недостатка - возможность завышения или занижения порогового значения оператором и погрешность определения времени начала сигнала, вызванная тем, что отсчеты, соответствующие началу сигнала, могут быть ниже порогового уровня. Погрешность определения времени прихода импульсов АЭ приводит к неточному определению координат источника АЭ.
Известен способ автоматического определения порогового значения J. Rodgers, The Use of a Floating Threshold for Online Acoustic Emission Monitoring of Fossil High Energy Piping, Newsletter, Acoustic Emission Consulting, Ver. 1.0, Aug. 1994, в соответствии с которым пороговое значение определяется на основании среднеквадратического значения (СКЗ) сигнала за определенный период времени. Предполагается, что СКЗ сигнала приблизительно соответствует уровню шума, а значение плавающего порога задается приблизительно в два раза выше значения СКЗ. Этот способ позволяет исключить влияние субъективного фактора при выборе значения порога, однако не решает проблемы точности определения местоположения источника АЭ.
Известны способы пороговой регистрации импульсов АЭ, обеспечивающие более точное определение времени начала импульса за счет предварительной фильтрации зашумленного сигнала. В частности, известен способ определения времени начала импульса АЭ, основанный на применении вейвлет-фильтрации - способ определения координат источников сигналов акустической эмиссии и устройство для его осуществления: патент РФ №235604 /Степанова Л.Н., Серьезное А.Н., Кабанов С.И., Лебедев Е.Ю., Рамазанов И.С., патентообладатель ФГУП "Сибирский научно-исследовательский институт авиации им. С.А. Чаплыгина", №2007124242/28, 27.06.2007, опубл. 20.05.2009, бюл. №14. Параметры алгоритма фильтрации выбираются адаптивно, во время проведения предварительных калибровочных измерений на объекте контроля. При правильной работе алгоритма шум оказывается удаленным полностью и регистрация импульсов проводится с нулевым порогом.
Недостатком данного способа является необходимость предварительной процедуры определения настроечных параметров алгоритма. Для реализации способа необходимо провести имитацию импульсов АЭ внутри каждой локационной антенны. При проведении промышленного АЭ контроля проведение дополнительных калибровочных измерений может привести к усложнению процедуры АЭ контроля и увеличению времени на его проведение. Кроме того, поскольку адаптация алгоритма проводится к определенному виду шума, при изменении характера шума требуется проведение повторной процедуры калибровки.
Известен способ беспороговой регистрации импульсов АЭ, который основан на анализе взаимной корреляционной функции АЭ сигналов, зарегистрированных по различным измерительным каналам - способ повышения точности локации шумоподобных источников акустической эмиссии на основе спектрально-временного самоподобия: Патент РФ №2515423/ Растегаев И.А., Данюк А.В., Виноградов А.Ю., Мерсон Д.Л., Чугунов А.В., патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тольяттинский государственный университет» Заявка: 2012155130/28, 20.12.2012, опубл. 10.05.2014, бюл. №13. Такой способ регистрации может быть применен для выявления и локации шумоподобных источников АЭ, при помощи корреляционного способа могут быть выявлены сигналы, соответствующие утечкам, а также трению и износу элементов конструкции. Однако подобный метод имеет ограниченное применение для регистрации импульсов АЭ, поскольку импульсы, зарегистрированные различными измерительными каналами, могут не быть коррелированными из-за различий формы и спектра, вызванных различиями акустического тракта.
Наиболее близким к предлагаемому является способ регистрации и анализа импульсов АЭ способ регистрации и анализа сигналов акустической эмиссии, патент РФ №2570592, Иноземцев В.В., Прохоровский А.С., Кузьмин А.Н., Аксельрод Е.Г., основанный на применении адаптивной фильтрации, с последующим расчетом локальных параметров временных рядов, усредненных в пределах заданного скользящего временного окна. Обнаружение импульсов АЭ осуществляется на основании различий параметров импульсов АЭ и шума.
Недостатком известного способа регистрации АЭ данных является его реализация в отсроченном режиме, уже после завершения процедуры сбора данных. Отсроченный способ реализации метода не позволяет оперативно оценивать результаты АЭ контроля в соответствии с ПБ 03-593-03, что особенно важно при оценке класса опасности выявленных источников АЭ. Также следует отметить, что известный способ предназначен только для обнаружения импульсов АЭ и не предполагает уточнения времени начала импульса, следовательно, уточнение координат источников АЭ при помощи способа регистрации и анализа сигналов акустической эмиссии - патент РФ №2570592, Иноземцев В.В., Прохоровский А.С., Кузьмин А.Н., Аксельрод Е.Г. - оказывается невозможным.
3. Раскрытие изобретения
3.1 Результат
Технический результат, на достижение которого направленно изобретение, заключается в упрощении процедуры проведения АЭ контроля за счет автоматической беспороговой регистрации данных, повышении чувствительности метода АЭ за счет регистрации импульсов с амплитудой порядка уровня шума, а также в повышении точности определения координат источников АЭ за счет определения времени начала импульса АЭ.
3.2 Отличительные признаки
Поставленная задача достигается тем, что предлагаемое устройство содержит 1...n каналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных акустического преобразователя, предварительного усилителя, фильтра, основного усилителя, аналого-цифрового преобразователя, а также содержит программируемую логическую интегральную схему, реализующую алгоритм регистрации импульсов АЭ. Алгоритм регистрации реализован в режиме on-line без буферизации данных.
i
1
2
Основными математическими операциями, на базе которых реализуется алгоритм регистрации данных, являются вычисление выборочной дисперсии  и выборочного момента шестого порядка  на интервалах сигнала s(t) длительностью N. На основании выборочных значений  и  вычисленных для N интервалов сигнала и заданной вероятности ошибки первого рода осуществляется вычисление критических областей (порогов) для проверки гипотезы о равенстве нулю момента шестого порядка и гипотезы о различии дисперсий,  и , вычисленных на соседних временных интервалах.
i
При невыполнении хотя бы одной из двух гипотез происходит регистрация импульса АЭ. На основании выборочных распределений  и  вычисляется вероятность обнаружения импульса. Для интервала сигнала s(t), в котором обнаружен импульс АЭ, методом кумулятивных сумм проводится уточнение времени начала импульса.
4. Осуществление изобретения
Способ и алгоритм регистрации импульсов АЭ осуществляются в соответствии со структурной схемой, показанной на Фиг. 1. Волны акустической эмиссии регистрируются акустическим преобразователем и преобразуются в электрические сигналы u(t), которые в свою очередь усиливаются предварительным и основным усилителем, фильтруются и дискретизируются при помощи аналого-цифрового преобразователя. Дискретизированный сигнал поступает на вход программируемой логической интегральной схемы, в которой реализуется алгоритм регистрации импульсов АЭ.
2
6
Алгоритм реализуется следующим образом. Во временном окне длительностью N (1) рассчитываются выборочная дисперсия s (2) и выборочный момент шестого порядка s (3).
high
ƒ - верхнее значение диапазона частот, к - коэффициент разрешения по частоте.
6
6
На основании вычисленных значений проводится проверка статистических гипотез о равенстве нулю момента шестого порядка s против альтернативной гипотезы о том, что s больше нуля (4) и о равенстве значений дисперсии в двух соседних временных интервалах, против альтернативной гипотезы об их неравенстве (5).
Импульс АЭ считается обнаруженным, если не выполняется хотя бы одна из двух гипотез. Уровень значимости α, определяющий вероятность ложного обнаружения импульса АЭ, задается оператором в качестве настроечного параметра.
0
1
Для проверки гипотезы о равенстве нулю момента шестого порядка проводится построение критической области - определяется такое значение , превышение которого свидетельствует о том, что значение  значимо отлично от нуля, при этом нулевая гипотеза Н отвергается и принимается альтернативная гипотеза H. Для определения критической области строится выборочная плотность распределения момента шестого порядка (Фиг. 5), сформированная значениями , рассчитанными для различных временных окон. Граница критической области определяется таким образом, чтобы площадь под кривой выборочного распределения справа от точки  была равна α. Для адаптации алгоритма к изменению характера шума, гистограмма строится на коротком временном интервале порядка 1-5 секунд.
Для проверки гипотезы о равенстве дисперсий в двух соседних временных интервалах используется F критерий (6), равный отношению дисперсий.
При выполнении нулевой гипотезы критерий соответствует распределению Фишера с числом степеней свободы, равном N. Критическая область определяется на основании уровня значимости α, из выражения (7)
5. Краткое описание чертежей
Фиг. 1 Блок-схема устройства обнаружения импульсов АЭ, включающая акустический преобразователь, предварительный усилитель, фильтр, основной усилитель, аналого-цифровой преобразователь и программируемую логическую схему.
Фиг. 2 Пример сигнала АЭ, импульс АЭ наблюдается на фоне шумов, максимальное значение импульса незначительно превышает уровень шума.
Фиг. 3 Выборочная дисперсия, вычисленная в скользящем окне. Время возрастания выборочной дисперсии соответствует времени начала импульса АЭ.
Фиг. 4 Момент шестого порядка, вычисленный в скользящем окне. Время возрастания момента шестого порядка соответствует времени начала импульса АЭ.
Фиг. 5 Расчет критической области при проверке гипотезы об обнаружении импульса. На фиг. 5 показана выборочная плотность распределения момента шестого порядка, на графике показано критическое значение момента, превышение которого соответствует обнаружению импульса АЭ.
Фиг. 6 Блок-схема алгоритма обнаружения импульсов АЭ изображает последовательность логических операций, реализуемых устройством беспороговой регистрации импульсов АЭ.