Интеллектуальный преобразователь акустической эмиссии
ACOUSTIC EMISSION SMART TRANSDUCER

Изобретение относится к неразрушающему контролю технического состояния промышленных объектов, основанному на регистрации акустических волн с помощью контактных приемных преобразователей, а именно - к преобразователям акустической эмиссии, и может быть использовано, в частности, для контроля технического состояния сосудов, котлов, аппаратов и трубопроводов и т.п., в том числе для мониторинга технического состояния опасных производственных объектов и объектов во взрывоопасной зоне.
Известны преобразователи акустической эмиссии, содержащие встроенный усилитель [1], производимые ООО «ГлобалТест». Недостатками данных преобразователей являются отсутствие взрывозащищенного исполнения, невозможность изменения коэффициента усиления и формирования импульсов акустической эмиссии, в том числе для контроля акустического контакта с контролируемым объектом.
Известны преобразователи акустической эмиссии, содержащие встроенный предварительный усилитель, частотный фильтр и имеющие взрывозащищенное исполнение, а также содержащие встроенный предварительный усилитель, частотный фильтр и формирователь импульсов [2], производимые ЗАО "НПФ "Диатон".
Данные преобразователи, благодаря формирователю импульсов, позволяют проводить контроль акустического контакта с контролируемым объектом. Недостатком известных преобразователей является реализация только одного из указанных качеств, т.е. отсутствие совокупности взрывозащищенного исполнения и наличия формирователя импульсов. Кроме того, отсутствует возможность изменения коэффициента усиления встроенного усилителя и регулировки амплитуды излучаемых импульсов в преобразователях, где имеется формирователь импульсов. Все это ограничивает область применения указанных преобразователей акустической эмиссии.
Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является датчик акустической эмиссии (АЭ) и адаптер АЭ, выполненные во взрывозащищенном исполнении. При этом датчик АЭ содержит пьезоэлемент, а адаптер АЭ - частотный фильтр, малошумящий усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, преобразователь выходного сигнала, управляемый формирователь импульсов, барьер искрозащиты и узел питания и управления [3]. Недостатком данного прототипа является то, что он представляет собой два самостоятельных устройства, соединенных между собой кабелем, вследствие чего имеющиеся требования взрывозащиты накладывают ограничение на максимальное напряжение электрического импульса, подаваемого адаптером АЭ на датчик АЭ, для формирования импульса акустической эмиссии. В связи с этим напряжение импульса не превышает 24 В, в то время как для уверенного детектирования импульсов акустической эмиссии другими преобразователями, находящимися на расстоянии нескольких метров от излучающего преобразователя, необходимо подавать на пьезоэлемент электрические импульсы напряжением не менее 50 В. Кроме того, подключение датчика АЭ к адаптеру АЭ осуществляется по трехпроводной линии, а адаптера АЭ к контрольно-измерительной аппаратуре - по четырехпроводной линии. При этом сравнительно высокое энергопотребление адаптера АЭ требует применения мощных взрывозащищенных блоков питания или барьеров искрозащиты. Все это негативно сказывается на стоимости при разработке многоканальных взрывозащищенных систем. Стоит добавить, что класс взрывозащиты указанного прототипа не является максимальным, что ограничивает сферу его применения.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка компактного преобразователя акустической эмиссии, выполненного во взрывозащищенном исполнении, способного формировать импульсы акустической эмиссии большой мощности и подключаемого к контрольно-измерительной аппаратуре по двухпроводной линии связи.
Поставленная задача в интеллектуальном преобразователе акустической эмиссии, выполненном во взрывозащищенном исполнении и содержащем пьезоэлемент, частотный фильтр, малошумящий усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, преобразователь выходного сигнала, управляемый формирователь импульсов, барьер искрозащиты и узел питания и управления, достигается тем, что все компоненты интеллектуального преобразователя размещены в одном малогабаритном герметичном корпусе, а управляемый формирователь импульсов выполнен с возможностью формирования импульсов высокого напряжения с заданным уровнем и демпфированием колебаний, при этом интеллектуальный преобразователь поддерживает двухстороннюю связь с контрольно-измерительной аппаратурой по двухпроводной линии.
Анализ отличительных признаков показал, что:
- размещение всех компонентов интеллектуального преобразователя в одном малогабаритном герметичном корпусе позволяет получить электрические импульсы напряжением несколько сотен вольт на выходе управляемого формирователя импульсов акустической эмиссии и обеспечить максимальный класс взрывозащиты;
- формирование импульсов высокого напряжения, которые благодаря функции демпфирования колебаний преобразуются в единичные импульсы синусоидальной формы, позволяет получить с помощью пьезоэлемента сигналы акустической эмиссии высокой мощности, которые уверенно детектируются другими преобразователями, находящимися на расстоянии несколько десятков метров, причем регулировка уровня напряжения электрических импульсов, а следовательно, и мощности импульсов акустической эмиссии, позволяет проводить диагностику промышленных объектов различных размеров, исключая повторное детектирование одного и того же сигнала на небольших объектах, что повышает качество диагностирования их технического состояния.
- реализация двухсторонней связи с контрольно-измерительной аппаратурой по двухпроводной линии, где цифровая команда интеллектуальному преобразователю передается путем изменения напряжения питания, а аналоговые данные от него передаются путем изменения тока потребления преобразователя, позволила снизить стоимость кабельных трасс, а также значительно упростить их монтаж, при этом обеспечить надежную работу интеллектуальных преобразователей на удалении свыше 100 м от места расположения контрольно-измерительной аппаратуры.
Таким образом, предложенная совокупность отличительных признаков, обеспечивающая полученный результат, представляется новой на существующем этапе развития науки и техники и превосходит существующий мировой уровень. Изобретение соответствует изобретательскому уровню, поскольку достигаемый результат определяется не только суммой отличительных признаков, но и результатом их тесного взаимодействия между собой.
Сущность заявляемого изобретения поясняется структурной схемой интеллектуального преобразователя акустической эмиссии, представленной на фиг. 1.
Пьезоэлемент 1 соединен с частотным фильтром 2, выход которого подключен к входу малошумящего усилителя с регулируемым коэффициентом усиления 3, который связан с преобразователем выходного сигнала 4. Выход преобразователя выходного сигнала 4 подключен через барьер искрозащиты 5 к двухпроводной линии связи 6. Выход барьера искрозащиты 5 со стороны преобразователя выходного сигнала 4 подключен к узлу питания и управления 7 и управляемому формирователю импульсов 8. Узел питания и управления 7 подключен к малошумящему усилителю с регулируемым коэффициентом усиления 3 и управляемому формирователю импульсов 8, выход которого подключен к пьезоэлементу 1.
Интеллектуальный преобразователь акустической эмиссии работает следующим образом.
В режиме приема сигнал акустической эмиссии преобразуется пьезоэлементом 1 в электрический сигнал, который через частотный фильтр 2, ослабляющий шумы вне полосы пропускания, поступает на вход малошумящего усилителя с регулируемым коэффициентом усиления 3, где усиливается на заданный коэффициент. Усиленный сигнал поступает на вход преобразователя выходного сигнала 4, который в соответствии с ним модулирует ток потребления интеллектуального преобразователя, тем самым передавая аналоговый сигнал по двухпроводной линии связи 6. Барьер искрозащиты 5 обеспечивает безопасные токи и напряжения в схеме интеллектуального преобразователя и не допускает появления искры.
В режиме формирования импульсов акустической эмиссии узел питания и управления 7 устанавливает минимальное усиление малошумящего усилителя с регулируемым коэффициентом 3, после чего формирует короткие периодические импульсы, поступающие на вход управляемого формирователя импульсов акустической эмиссии 8. Управляемый формирователь импульсов акустической эмиссии 8 формирует единичные электрические импульсы, максимальное напряжение которых пропорционально длительности входных импульсов и может достигать нескольких сотен вольт. Эти импульсы поступают на вход пьезоэлемента 1, который благодаря обратному пьезоэффекту преобразует их в импульсы акустической эмиссии.
Смена режимов работы осуществляется с помощью цифровых команд, передаваемых интеллектуальному преобразователю путем изменения напряжения питания.
Таким образом, предложенный интеллектуальный преобразователь акустической эмиссии существенно повышает достоверность диагностирования технического состояния объектов контроля благодаря широким функциональным возможностям, обеспечивает надежную работу на длинной линии за счет токовой линии связи, а также позволяет сократить затраты на кабельные трассы и их монтаж. Данное изобретение реализовано в ряде стационарных систем акустико-эмиссионной диагностики шаровых резервуаров для хранения сжиженных углеводородных газов, а также регенераторов секции каталитического крекинга на опасных производственных объектах нефтехимического комплекса Российской Федерации. Опыт эксплуатации интеллектуальных преобразователей акустической эмиссии на реальных объектах полностью подтвердил эффективность примененных технических решений.
Список литературы
1. http://globaltest.ru/page/pr_akusticp/.
2. http://www.diatontest.ru/sensors.htm.
3. http://www.dynamics.ru/products/controllers-moduls-sensors/datchik-ae-5702/ и http://www.dynamics.ru/products/controllers-moduls-sensors/adapter-ae4809/.