СПОСОБ АКУСТИКО-ЭМИССИОННОГО КОНТРОЛЯ СОСУДОВ, РАБОТАЮЩИХ ПОД ДАВЛЕНИЕМ, И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF ACOUSTIC-EMISSION CONTROL OF PRESSURISED VESSELS AND DEVICE TO THIS EFFECT

Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано для диагностики сосудов, работающих под давлением, методом акустической эмиссии.
Известен способ диагностирования сосудов, работающих под давлением, заключающийся в том, что предварительно проводят исследование акустических свойств резервуара, определяют скорость распространения волн напряжений, степень затухания, тип колебаний, размещают на объекте контроля первичные преобразователи, используя полученные данные, нагружают объект контроля, регистрируя сигналы акустической эмиссии до момента прихода на первичный преобразователь первого ложного импульса акустической эмиссии, обрабатывают сигналы акустической эмиссии, при этом на время обработки блокируют аппаратуру, регистрирующую сигналы акустической эмиссии, а регистрацию возобновляют после полного затухания колебаний, вызванных импульсами акустической эмиссии, о техническом состоянии объекта контроля судят по сигналам акустической эмиссии (Патент на изобретение RU 2226272 С2, 09.08.1999, принятый за аналог).
Недостатком данного способа является недостаточная точность и достоверность обнаружения дефектов при контроле технического состояния резервуаров, работающих под давлением, что обусловлено невозможностью обнаружения и оценки параметров сквозных дефектов, излучающих непрерывный шум, так как после принятия первого акустико-эмиссионного сигнала аппаратура блокируется до полного затухания колебаний.
4
Известно многоканальное акустико-эмиссионное устройство для контроля изделий, содержащее идентичные каналы приема и обработки сигналов акустической эмиссии, каждый из которых состоит из последовательно соединенных пьезоэлектрического акустического преобразователя, предусилителя, фильтра, основного усилителя, к выходу которого подключен пиковый детектор и формирователь строба, а также цифроаналоговый преобразователь и регистратор. Кроме того, в каждом канале устройство содержит компаратор, элемент памяти, а также соединенные последовательно генератор, счетчик, блок памяти, причем в каждом канале выход пикового детектора соединен с инвертирующим входом компаратора, выход формирователя строба соединен со стробирующим входом компаратора, выход которого соединен со входом сброса пикового детектора и входом элемента памяти каждого канала. Выход элемента памяти каждого канала соединен с соответствующим входом коммутатора. Блок памяти имеет задающий режим вход, а второй вход его соединен с выходом счетчика и вторыми входами формирователя строба элемента памяти каждого канала. Выход блока памяти соединен с входом цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с неинвертирующими входами компараторов каждого канала. Выход коммутатора соединен с входом регистратора. Выход элемента «ИЛИ-НЕ» формирователя строба соединен с первым входом элемента «И» и первым входом второго элемента «И», второй вход первого элемента «И» соединен с выходом третьего элемента «И», а выход первого элемента «И» - с входом первого триггера, неинвертирующий выход которого соединен с вторым входом второго элемента «И» и с выходом формирователя, а инвертирующий выход соединен с вторым входом третьего элемента «И». Выход усилителя соединен с входом компаратора, вход которого соединен с входом элемента задержки. Выход последнего соединен с S-входом второго триггера, выход которого соединен с первым входом третьего элемента «И». Входы сброса первого и второго триггеров объединены и соединены с выходом второго элемента «И». (А.с. 1589204, М. кл. G01N 29/04, приоритет от 4.10.88 г., принят за аналог).
Недостатком данного устройства является то, что оно не позволяет определять времена прихода сигналов акустической эмиссии, превышающих установленный порог, на измерительные каналы, а значит - не может с высокой точностью определять координаты источников акустической эмиссии.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ акустико-эмиссионного контроля сосудов, заключающийся в том, что проводят предварительное изучение объекта контроля, включающее исследования акустических свойств объекта контроля, затем устанавливают первичные преобразователи, проверяют работоспособность акустико-эмиссионной аппаратуры и проводят калибровку каналов, проводят предварительные испытания, во время которых определяют уровень шумов, по которому устанавливают порог. Далее объект контроля нагружают до испытательного давления и одновременно регистрируют сигналы акустической эмиссии, превышающие установленный порог, по которым определяют координаты источников. По параметрам зарегистрированных сигналов акустической эмиссии судят о степени опасности дефекта (Правила организации и проведения акустико-эмиссионного контроля сосудов, аппаратов, котлов и технологических трубопроводов. (ПБ 03-593-03). Серия 03. Выпуск 38 / Колл. авт. - М.: Государственное унитарное предприятие «Научно-технический центр по безопасности и промышленности Госгортехнадзора России», 2003. - 56 с., принят за прототип).
Недостатками данного способа является невозможность обнаружения и оценки параметров сквозных дефектов, связанных с тем, что регистрируются и оцениваются только дискретные сигналы акустической эмиссии. Другим недостатком является низкая достоверность и точность обнаружения дефектов, связанная с тем, что метод не учитывает изменение уровня шума при нагружении до испытательных нагрузок.
Наиболее близким по технической сущности является многоканальное акустико-эмиссионное устройство для контроля изделий, 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, отличающееся тем, что 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 (патент на изобретение RU 2150698 С1, 10.06.2000 г., принят за прототип).
Недостатками данного устройства является высокая вероятность пропуска дефектов и чувствительность к шумам, так как отсутствует возможность в процессе контроля регулировать порог без остановки регистрации сигналов. Кроме того, недостатком данного устройства является невозможность обнаруживать и определять площадь сквозных дефектов, из-за невозможности регистрации параметров непрерывных сигналов акустической эмиссии.
Техническая задача - повышение достоверности и точности обнаружения и оценки развивающихся несквозных дефектов, а также обнаружение и оценка параметров сквозных дефектов.
Поставленная задача решается за счет того, что предварительно определяют акустические свойства материала объекта контроля. Затем устанавливают первичные преобразователи, проверяют работоспособность акустико-эмиссионной аппаратуры и проводят калибровку каналов. Далее объект контроля нагружают до испытательной нагрузки и одновременно измеряют и регистрируют среднеквадратическое значение амплитуды сигналов акустической эмиссии через равные интервалы времени, длительность которых определяется скоростью изменения нагрузки от минимального до максимального значения:
наг
Δt=(0,001…0,01)·T,
наг
где Т - длительность времени изменения нагрузки от минимального до максимального значения, с.
По результатам измеренных значений среднеквадратического отклонения амплитуды сигналов на последующий за измерением интервал времени для каждого канала устанавливают порог, равный:
i
i
Р=3·σ,
i
где σ - значение среднеквадратического отклонения амплитуды сигнала с i-го канала; i - номер канала от 0 до n.
i
При этом регистрируют сигналы акустической эмиссии с i-го канала, превышающие установленный порог Р, и определяют параметры этих сигналов, по которым определяют координаты развивающихся дефектов и судят об их степени опасности.
Используя зарегистрированные значения среднеквадратического отклонения амплитуды сигналов акустической эмиссии, определяют площадь сквозных дефектов экспериментально установленной зависимости:
где  - среднее значение по всем n каналам среднеквадратического отклонения, мВ; Р - текущее значение давления в сосуде, МПа; .
Поставленная задача решается также за счет того, что используется многоканальное акустико-эмиссионное устройство для контроля сосудов, работающих под давлением, состоящее из n измерительных каналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных акустического преобразователя, предварительного усилителя, фильтра, основного усилителя, пикового детектора, при этом выход пикового детектора соединен с инвертирующим входом компаратора, компаратора, таймера, устройства сопряжения, шины компьютера, устройство также содержит последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь, вход которого соединен с выходом основного усилителя, оперативное запоминающее устройство, выход которого соединен с первым входом устройства сопряжения, а второй вход с первым выходом таймера, устройство также содержит цифроаналоговый преобразователь, соединенный с четвертым выходом устройства сопряжения. В устройстве также установлены последовательно соединенные детектор среднеквадратического значения сигнала, вход которого соединен с выходом основного усилителя, устройство выборки и хранения, причем выход детектора среднеквадратического значения сигнала соединен с аналоговым входом устройства выборки и хранения, аналогового умножителя, причем первый вход аналогового умножителя соединен с выходом устройства выборки и хранения и второй вход с выходом цифроаналогового преобразователя, а выход аналогового умножителя соединен с неинвертирующим входом компаратора, устройство также содержит блок регистрации непрерывных сигналов акустической эмиссии, состоящий из последовательно соединенных аналогово-цифрового преобразователя, оперативного запоминающего устройства, причем вход аналого-цифрового преобразователя соединен с выходом устройства выборки и хранения, а выход оперативного запоминающего устройства соединен с пятым входом устройства сопряжения, устройство регистрации непрерывных сигналов акустической эмиссии содержит таймер, вход которого соединен с устройством сопряжения, первый выход соединен с управляющим входом устройства выборки и хранения, а второй выход соединен с оперативным запоминающим устройством.
На чертеже приведена функциональная схема устройства, реализующего способ акустико-эмиссионного контроля сосудов, работающих под давлением.
Устройство, реализующее способ акустико-эмиссионного контроля сосудов, работающих под давлением, содержит (см. чертеж):
1 - первичный (акустический) преобразователь;
2 - предварительный усилитель;
3 - фильтр;
4 - основной усилитель;
5 - пиковый детектор;
6 - компаратор;
7 - таймер;
8 - устройство сопряжения;
9 - шину компьютера;
10 - аналогово-цифровой преобразователь;
11 - оперативное запоминающее устройство;
12 - цифроаналоговый преобразователь;
13 - детектор среднеквадратического значения сигнала;
14 - устройство выборки и хранения;
15 - аналоговый умножитель;
16 - блок регистрации непрерывных сигналов акустической эмиссии;
17 - аналогово-цифровой преобразователь блока регистрации непрерывных сигналов акустической эмиссии;
18 - оперативное запоминающее устройство блока регистрации непрерывных сигналов акустической эмиссии;
19 - таймер блока регистрации непрерывных сигналов акустической эмиссии.
Практическая реализация предлагаемого устройства выполняется по известным схемам с использованием отечественных и зарубежных микросхем, основные характеристики которых изложены в следующих источниках:
1. www.ni.com;
2. www.analog.com;
3. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: Пер. с англ. - М.: Мир, 2003. - 704 с.
4. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы. - М.: Радио и связь, 1987, с.19.
Многоканальное акустико-эмиссионное устройство для контроля сосудов, работающих под давлением, состоит из n измерительных каналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных акустического преобразователя 1, предварительного усилителя 2, фильтра 3, основного усилителя 4, пикового детектора 5, при этом выход пикового детектора 5 соединен с инвертирующим входом компаратора 6, таймера 7, устройства сопряжения 8, шины компьютера 9, устройство также содержит последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь 10, вход которого соединен с выходом основного усилителя 4, оперативное запоминающее устройство 11, выход которого соединен с первым входом устройства сопряжения 8, а второй вход с первым выходом таймера 7, устройство также содержит цифроаналоговый преобразователь 12, соединенный с четвертым выходом устройства сопряжения 8. В устройстве также установлены последовательно соединенные детектор среднеквадратического значения сигнала 13, вход которого соединен с выходом основного усилителя 4, а выход соединен с аналоговым входом устройства выборки и хранения 14, аналогового умножителя 15, первый вход которого соединен с выходом устройства выборки и хранения 14 и второй вход с выходом цифроаналогового преобразователя 12, а выход соединен с неинвертирующим входом компаратора 6, устройство также содержит блок регистрации непрерывных сигналов акустической эмиссии 16, состоящий из последовательно соединенных аналогово-цифрового преобразователя 17, оперативного запоминающего устройства 18, причем вход аналого-цифрового преобразователя 17 соединен с выходом устройством выборки и хранения 14, а выход оперативного запоминающего устройства 18 соединен с пятым входом устройства сопряжения 8, а также блок регистрации непрерывных сигналов акустической эмиссии 16 содержит таймер 19, вход которого соединен с устройством сопряжения 8, первый выход соединен с управляющим входом устройства выборки и хранения 14, а второй выход соединен с оперативным запоминающим устройством 18.
Предложенное устройство и способ работают следующим образом. Предварительно определяют акустические свойства: скорость ультразвуковых волн и коэффициент затухания, затем устанавливают первичные преобразователи, проверяют работоспособность акустико-эмиссионной аппаратуры и проводят калибровку каналов. После этого в многоканальном устройстве компьютер через шину 9 и устройство сопряжения 8 передает в таймер 7 интервал времени регистрации дискретного сигнала акустической эмиссии записываемого окна и одновременно в таймер 19 интервал Δt измерения среднеквадратического значения амплитуды сигналов шумов, определяемый соотношением:
наг
Δt=(0,001…0,01)·Т,
наг
где Т - длительность времени изменения нагрузки от минимального до максимального значения, которые выбирают исходя из данных предварительных измерений и калибровки.
Начинают нагружать сосуд испытательной нагрузкой. Таймер 7 по команде с компаратора 6 отсчитывает установленный интервал времени и подает команду остановить регистрацию дискретных сигналов акустической эмиссии в оперативное запоминающее устройство 11 и в устройство сопряжения 8. Таймер 19 через интервалы времени Δt подает команду на цифровой вход выборки и хранения 14 и в оперативное запоминающее устройство 18. Компьютер через шину 9 подает команду устройству сопряжения 8 начать измерения сигналов акустической эмиссии, устройство сопряжения 8 подает команду на цифроаналоговый преобразователь 12, который подает на первый вход аналогового умножителя 15 напряжение 3 В. Преобразователь преобразует акустический сигнал акустической эмиссии в электрический сигнал и передает его через предварительный усилитель 2 и фильтр 3 на основной усилитель 4. Детектор среднеквадратического значения 13 измеряет среднеквадратическое значение сигнала и подает его на аналоговый вход устройства выборки и хранения 14, которое по команде от таймера 19 передает его на второй вход аналогового умножителя 15 и вход аналого-цифрового преобразователя 17. Аналого-цифровой преобразователь 17 преобразует значение среднеквадратического значения сигнала в цифровой код и передает его в оперативное запоминающее устройство 18, которое по команде таймера 19 сохраняет цифровой код. Цифровой код среднеквадратического значения сигнала из оперативного запоминающего устройства 18 предается в компьютер через устройство сопряжения 8 и шину 9. Аналоговый умножитель 15 передает на второй вход компаратора 6 сигнал, равный порогу канала:
i
i
Р=3·σ,
i
где σ - среднеквадратическое отклонение амплитуды сигнала с i-го канала, измеренное детектором среднеквадратического значения сигнала 13; i - номер канала от 0 до n.
i
Сигнал с основного усилителя 4 поступает на пиковый детектор 5, который определяет величину максимальной амплитуды и передает ее на первый вход компаратора 6. Одновременно сигналы преобразуют в цифровой код на аналого-цифровом преобразователе 10 и записывают в оперативное запоминающее устройство 11. Компаратор 6 определяет момент времени превышения сигналом на первом входе установленного на втором входе порога и подает сигнал в таймер 7, который определяет время прихода сигнала и записывает его в оперативное запоминающее устройство 11, а затем передается на компьютер через устройство сопряжения 8 и шину 9. После нагружения сосуда, работающего под давлением до испытательной нагрузки и ее выдержки компьютер через шину 8 подает команду устройству сопряжения 8 остановить регистрацию сигналов акустической эмиссии. По зарегистрированным дискретным сигналам акустической эмиссии с n каналов, превышающим установленные пороги Р определяют параметры этих сигналов, по которым определяют координаты развивающихся дефектов и судят об их степени опасности. Используя зарегистрированные значения среднеквадратического отклонения амплитуды сигналов акустической эмиссии, определяют площадь сквозных дефектов экспериментально установленной зависимости:
где  - среднее значение по всем n каналам среднеквадратического отклонения, мВ; Р - текущее значение давления в сосуде, МПа; .
Предлагаемое техническое решение по сравнению с существующими позволяет в процессе контроля регулировать пороги без остановки регистрации сигналов и, следовательно, уменьшает вероятность пропуска дефектов и снижает чувствительность к шумам. Кроме того, предлагаемая система регистрирует параметры непрерывных сигналов акустической эмиссии, по которым определяют площадь сквозных дефектов.