Многоканальное устройство для акустико-эмиссионного диагностирования металлических конструкций

Полезная модель относится к области технической диагностики неразрушающего контроля с использованием метода акустической эмиссии для металлических конструкций широкого профиля и их сварных соединений, железнодорожных конструкций, мостов.
Известно многоканальное акустико-эмиссионное устройство для диагностики мостовых металлических конструкций, состоящее из n блоков, каждый из которых содержит канал, состоящий из последовательно соединенных акустического преобразователя, предварительного усилителя, фильтра, а также аналого-цифрового преобразователя, оперативного запоминающего устройства и устройства сопряжения, отличающееся тем, что в первом канале выход фильтра соединен с последовательно соединенными аналого-цифровым преобразователем, оперативным запоминающем устройством, сигнальным процессором и устройством сопряжения, а также оно снабжено в каждом блоке вторым каналом, состоящим из последовательно соединенных тензодатчика, аналогового преобразователя, аналого-цифрового преобразователя, процессора и устройства сопряжения, причем выходы устройств сопряжения первого и второго каналов блока соединены с сигнальной шиной компьютера, которая, в свою очередь, соединена с компьютером, причем второй выход процессора второго канала блока соединен со вторыми входами оперативного запоминающего устройства и сигнального процессора первого канала, а также со входом генератора, выход которого соединен с ключом, выход которого подключен к акустическому преобразователю. [Патент РФ №2240551, МПК G01N 29/04, опубл. 20.11.2004, БИ №32, «Многоканальное акустико-эмиссионное устройство для диагностики мостовых металлических конструкций», авторов Степановой Л.Н., Муравьева В.В. и др.].
Недостатком данного устройства является низкая точность диагностирования металлических изделий ввиду наличия паразитных шумов акустической эмиссии в местах приложения нагрузки. Это приводит к уменьшению быстродействия устройства, к потере информации и снижению достоверности результатов измерений.
Известно многоканальное акустико-эмиссионное устройство для диагностирования металлических конструкций, состоящее из N блоков, каждый из которых содержит акустический канал, состоящий из последовательно соединенных акустического преобразователя, предварительного усилителя, фильтра, аналого-цифрового преобразователя, оперативного запоминающего устройства, а также тензометрический канал, состоящий из последовательно соединенных тензодатчика, аналого-цифрового преобразователя, а также каждый канал блока соединен с сигнальной шиной компьютера и компьютером, отличающееся тем, что каждый акустический канал снабжен нормирующим усилителем, устройством управления, многоканальным таймером-счетчиком, цифро-аналоговым преобразователем, суммирующим усилителем, первым и вторым компараторами, источником опорного напряжения, а тензометрический канал снабжен прецизионным инструментальным усилителем, нормирующим усилителем, источником опорного напряжения, модулятором опорного напряжения, буферным усилителем, операционным усилителем источника тока, прецизионным токозадающим резистором, токовым переключателем, устройством управления тензометрическим каналом, причем в каждом акустическом канале цифровой выход оперативного запоминающего устройства соединен с первым цифровым входом устройства управления акустического канала, его второй цифровой вход соединен с цифровым выходом многоканального таймера-счетчика, его третий цифровой вход - с шиной PCI компьютера, первый выход устройства управления соединен со входом оперативного запоминающего устройства, его второй выход соединен со входом цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с первым входом суммирующего усилителя и инвертирующим входом второго компаратора, неинвертирующий вход которого соединен с неинвертирующим входом первого компаратора и последовательно соединенными нормирующим усилителем и аналого-цифровым преобразователем, а вход нормирующего усилителя соединен с выходом фильтра, при этом инвертирующий вход первого компаратора соединен с выходом суммирующего усилителя, второй вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, выходы первого и второго компараторов соединены соответственно с первым и вторым входами многоканального таймера-счетчика, третий вход которого соединен с шиной PCI, а также каждый блок снабжен тензометрическим каналом, состоящим из последовательно соединенного инструментального усилителя и нормирующего усилителя, образующих аналоговый преобразователь, а также последовательно соединенными источника опорного напряжения, модулятора опорного напряжения и буферного усилителя, выход которого соединен с опорным входом прецизионного инструментального усилителя, а неинвертирующий вход операционного усилителя источника тока соединен с последовательно соединенными модулятором опорного напряжения и буферным усилителем, при этом инвертирующий вход соединен с номинальным резистором, второй конец которого соединен с общей шиной, и вторым выходом токового переключателя, первый выход которого соединен с тензодатчиком, а управляющий вход - с первым выходом устройства управления тензометрическим каналом, первый вход соединен с выходом операционного усилителя источника тока, а второй выход устройства управления тензометрическим каналом соединен с управляющим входом модулятора опорного напряжения, третий выход устройства управления тензометрическим каналом соединен со вторым входом аналого-цифрового преобразователя, а первый цифровой вход устройства управления тензометрическим каналом соединен с цифровым выходом аналого-цифрового преобразователя, второй цифровой вход устройства управления тензометрическим каналом соединен с шиной PCI, которая соединена с компьютером. [Патент РФ №2339938, МПК G01N 29/04, опубл. 27.11.2008, БИ №33, «Многоканальное акустико-эмиссионное устройство для диагностирования металлических конструкций», авторов Степановой Л.Н., Кареева А.Е. и др.].
Недостатком данного устройства является низкая точность диагностирования металлических изделий ввиду наличия паразитных шумов акустической эмиссии в местах приложения нагрузки, а также низкое быстродействие устройства из-за сложных алгоритмов обработки сигналов.
Данное техническое решение выбрано авторами в качестве прототипа.
Техническим результатом является повышение точности диагностирования металлических изделий, за счет исключения паразитных шумов акустической эмиссии в местах приложения нагрузки.
Технический результат достигается тем, что в многоканальное акустико-эмиссионное устройство для диагностирования металлических конструкций состоящее из N блоков, каждый из которых содержит акустический канал, состоящий из последовательно соединенных акустического преобразователя, предварительного усилителя, фильтра, аналого-цифрового преобразователя, оперативного запоминающего устройства с двумя цифровыми выходами и входами, а также каждый канал блока соединен с сигнальной шиной PCI компьютера и компьютером, каждый акустический канал снабжен нормирующим усилителем с тремя цифровыми выходами, устройством управления с четырьмя цифровыми выходами и тремя входами, многоканальным таймером-счетчиком с четырьмя цифровыми входами, суммирующим усилителем с двумя цифровыми входами и одним выходом, первым и вторым компараторами с двумя цифровым входами, источником опорного напряжения, причем в каждом акустическом канале первый цифровой выход оперативного запоминающего устройства соединен с первым цифровым входом устройства управления акустического канала, его второй цифровой вход соединен с первым цифровым выходом многоканального таймера-счетчика, а третий цифровой вход - с первым цифровым выходом шины PCI компьютера, первый выход устройства управления соединен со вторым цифровым входом оперативного запоминающего устройства, а второй цифровой выход соединен с цифровым входом цифроаналогового преобразователя, цифровой выход которого соединен с первым цифровым входом суммирующего усилителя и инвертирующим первым цифровым входом второго компаратора, неинвертирующий второй цифровой вход которого соединен с неинвертирующим первым цифровым входом первого компаратора и последовательно соединенными нормирующим усилителем и аналого-цифровым преобразователем, а цифровой вход нормирующего усилителя соединен с выходом фильтра, при этом инвертирующий вход первого компаратора соединен с выходом суммирующего усилителя, второй вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, выходы первого и второго компараторов соединены соответственно с третьим и четвертым входами многоканального таймера-счетчика, третий вход которого соединен с шиной PCI дополнительно введен канал управления линейным индуктором, который состоит из последовательно соединенных линейного индуктора, источника тока с одним входом и одним выходом, выпрямителя, регулятора напряжения с двумя цифровыми входами и источника опорного напряжения, а также канал управления соединен с сигнальной шиной PCI компьютера и компьютером, каждый канал управления линейным индуктором снабжен фильтр-каналом и устройством управления линейным индуктором с двумя цифровыми входами и выходами, причем цифровой выход источника опорного напряжения соединен с первым цифровым входом регулятора напряжения, цифровой выход которого соединен с цифровым входом выпрямителя, который в свою очередь соединен цифровым выходом с первым цифровым входом источника тока, а линейный индуктор соединен с источником тока, цифровой выход которого соединен с цифровым входом фильтр канала, который соединен с первым цифровым входом устройства управления канала управления линейным индуктором, первый цифровой выход которого соединен с цифровым входом шины PCI компьютера, а второй цифровой выход соединен со вторым цифровым входом регулятора напряжения, также первый выход шины PCI соединен с цифровым входом компьютера, а второй цифровой выход соединен со вторым входом устройства управления линейным индуктором.
Введение канала управления линейным индуктором, состоящего из последовательно соединенных линейного индуктора, источника тока с одним цифровыми входам и выходом, выпрямителя, регулятора напряжения с двумя цифровыми входами и источника опорного напряжения и из последовательно соединенных фильтр-канала и устройства управления линейным индуктором с двумя цифровыми входами и выходами позволяет увеличить точность диагностирования металлических изделий, ввиду исключения паразитных шумов акустической эмиссии в местах приложения нагрузки, а также увеличить быстродействие устройства.
На фиг. 1 представлена функциональная схема системы диагностирования металлических конструкций.
На фиг. 2 представлена схема расположения регистрируемого оборудования на полагаемой области трещины.
Многоканальное устройство для диагностирования металлических конструкций состоит из 1-N - блоков - 1, преобразователя акустической эмиссии (ПАЭ) - 2, предварительного усилителя - 3, полосового фильтра - 4, аналого-цифрового преобразователя (АЦП) акустического канала - 5, оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) с двумя цифровыми входами и выходами - 6, интерфейсной шины PCI - 7, компьютера - 8, нормирующего усилителя акустического канала - 9, устройства управления акустического канала с четырьмя цифровыми выходами и тремя входами - 10, многоканального таймер-счетчика с четырьмя цифровыми входами - 11, цифроаналогового преобразователя (ЦАП) - 12, суммирующего усилителя с двумя цифровыми входами - 13, первого компаратора с двумя цифровыми
входами - 14, 15 - второго компаратора с двумя цифровыми входами - 15, источника опорного напряжения акустического канала - 16, линейного индуктора - 17, источник тока с одним цифровыми входам и выходом - 18, выпрямителя - 19, регулятора напряжения с двумя цифровыми входами - 20, источника опорного напряжения - 21, фильтр-канала - 22, устройства управления линейным индуктором с двумя цифровыми входами - 23, объекта контроля - 24, акустического канала блока преобразования информации акустико-эмиссионного устройства - 25, трещины - 26.
Предложенное устройство работает следующим образом. На первом этапе производится установка первичного преобразователя на объект контроля 24. Первичный преобразователь состоит из m (m≥3) акустических преобразователей 2, входящих в акустический канал 1-N блоков 1, и линейного индуктора 17, входящего в канал управления линейным индуктором 1-N блоков 1. Затем осуществляется калибровка, при которой измеряется скорость звука С в конструкции
nop.
nop
доб
nop
доб
nop
nop
доб
где а - расстояние между акустическим преобразователем имитатора сигнала акустической эмиссии, работающим в режиме излучения, и i-м акустическим преобразователем, работающим в режиме приема; Δt - время распространения акустического сигнала от акустического преобразователя, работающего в режиме излучения, до i-го акустического преобразователя, работающего в режиме приема. На следующем же этапе осуществляется нагружение изделия с помощью пропускания электрического тока через линейный индуктор 17. Для этого центральный процессор компьютера 8 через шину PCI 7 подает в устройство управления блока управления линейным индуктором 23 команду на запуск. Устройство управления линейным индуктором 23 формирует сигналы управления регулятора напряжением 20, на второй вход которого поступает напряжение от источника опорного напряжения 21. Напряжение поступает в выпрямитель 19, где понижается до необходимых показателей и следует на источник тока 18, ток которого через фильтр-канал 22 со значениями линейного индуктора передается на шину PCI 7 компьютера 8. При расположении индуктора над трещиной 26 к берегам усталостной трещины прикладывается нагружение за счет пондеромоторных сил, приводящих к появлению акустической эмиссии в период раскрытия трещины. Возникновение пондеромоторных сил обусловлено взаимодействием поверхностных токов на краях трещины, из-за изменения циркулярного магнитного поля линейного индуктора, при пропускании через него импульсов тока. Пондеромоторные силы приводят к появлению акустической эмиссии в период раскрытия трещины. Акустические преобразователи работают в режиме приема и преобразуют акустические сигналы в электрические. В каждом акустическом канале электрические сигналы с выходов акустических преобразователей 2 по акустическим каналам 25 поступают на предварительные усилители 3 и усиливаются. С выхода предварительных усилителей 3 сигналы проходят на входы полосовых фильтров 4, обеспечивающих подавление паразитных сигналов за пределами полосы пропускания. С выхода фильтров 4 сигналы поступают на входы нормирующих усилителей 9, где усиливаются и затем подаются на входы аналого-цифровых преобразователей (АЦП) 5, где происходит дискретизация сигналов акустической эмиссии (АЭ). Для формирования порога селекции каждого из акустических каналов системы центральный процессор компьютера 8 через шину PCI 7 подает в устройство управления канала 10 команду записи порогового значения, и по последовательной линии код посылается в цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 12. При этом на выходе ЦАП 12 формируется пороговое напряжение UПороговое напряжение U поступает на инвертирующий вход второго компаратора 15 и вход суммирующего усилителя 13. На второй вход суммирующего усилителя 13 поступает напряжение пороговой добавки U, формируемой источником опорного напряжения 16 акустического канала. На выходе суммирующего усилителя 13 формируется напряжение второго порога, равное (U+U), поступающее на инвертирующий вход первого компаратора 14. Для записи в многоканальный таймер-счетчик 11 значения времени измерения компьютер 8 через шину PCI 7 подает в устройство управления акустического канала 10 команду записи значения времени измерения. Код времени измерения записывается в регистр многоканального таймера-счетчика 11. Для запуска процесса измерения акустических каналов блока m центральный процессор компьютера 8 через шину PCI 7 подает в устройство управления акустического канала 10 команду на запуск измерения, которое разрешает запись измерительной информации в оперативное запоминающее устройство 6. При этом 64-разрядные счетчики времени в многоканальном таймере-счетчике 11 начинают синхронно по всем акустическим каналам отсчет времени. Синхронизация работы счетчиков обеспечивается тактовой частотой шины PCI 7. Выходные шины аналого-цифровых преобразователей 5 подключены к входам оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) 6. В оперативном запоминающем устройстве 6 организован циклический буфер, в котором сохраняются результаты измерений. Сигналы акустической эмиссии с выходов нормирующих усилителей 9 одновременно поступают и на неинвертирующие входы первого 14 и второго 15 компараторов. В случае превышения порогового значения U второй компаратор 15 выдает сигнал на многоканальный таймер-счетчик 11, запуская счетчик времени измерения и одновременно регистрируя время прихода сигнала в 64-разрядном счетчике времени. В случае превышения второго порогового значения (U+U) первый компаратор 14 выдает сигнал на многоканальный таймер-счетчик 11, в котором регистрируется время срабатывания первого компаратора 14 относительно времени срабатывания второго компаратора 15. По окончании времени измерения многоканальный таймер-счетчик 11 выдает в устройство управления акустического канала 10 команду, по которой устройство управления запрещает запись в оперативное запоминающее устройство 6 и выставляет на шину PCI 7 сигнал прерывания. По данному сигналу прерывания центральный процессор компьютера 8 может считывать из оперативного запоминающего устройства 6 через устройство управления акустического канала 10 дискретную реализацию формы сигнала акустической эмиссии. Кроме того, центральный процессор компьютера 8 через шину PCI 7 и устройство управления акустического канала 10 считывает из многоканального таймера-счетчика 11 64-разрядное значение времени прихода сигнала акустической эмиссии и время срабатывания первого компаратора 14. Время срабатывания первого компаратора 14 будет давать ошибку определения времени прихода.
Предлагаемое многоканальное акустико-эмиссионное устройство для диагностирования металлических конструкций повышает точность диагностирования на 10%, сокращает время контроля на 10% и уменьшает вероятность возникновение усталостных трещин в изделии в целом на 20%, а также упрощает конструкцию всего устройства.