Акустико- эмиссионные системы

Мировой лидер продаж АЭ систем — старейшая фирма PAC (США), производящая АЭ аппаратуру (SPARTAN, LOCAN). Производит весь спектр АЭ компонентов (датчики, предусилители и т. д.). Имеет представительства во всем мире, в том числе и в России. Разработчик стандартов (ASTM, ASME и др.), методик контроля и технологий контроля (MONPAC, TANKPAC, VPAC). В настоящее время имеет цифровые быстродействующие системы (MISTRAS, DISP), позволяющие обрабатывать в реальном времени АЭ сигналы (параметры и форму) по всем каналам одновременно.

Разрабатывает цифровые восьми и более канальные платы с гораздо более низкой ценой, чем другие производители, для промышленного применения, но имеющие все необходимые возможности для проведения качественного АЭ контроля. Для постобработки применяется теория нейронных сетей и теория всплесков (wavelet). Применяет собственную систему многоуровневой сертификации персонала, которая признается во всем мире. Кроме АЭ систем развивается направление ультразвукового контроля. Производит многоканальные УЗ системы, позволяющие сканировать объемные конструкции (нефтяные резервуары, нефтехимические колонны, корпуса ракет).

Фирма DECI (США) производит АЭ систему AESMART2000, преобразователи и усилители. Система используется для научных целей. По данным АЭ сигнала определяется размер трещины.

VALLEN SYSTEM (Германия). Европейский производитель АЭ систем.

Производит систему с 1980-х годов. Имеет дилера в России. Последняя разработка — цифровая АЭ-система AMSY-5, которая содержит от 1 до 254 синхронизированных каналов (на выбор, по заказу). В состав системы входит основной блок с параметрическими входами и модулями АЭ-каналов и внешний  персональный компьютер. В сочетании с самым совершенным программным обеспечением эта система позволяет:

— регистрировать АЭ-сигналы с максимальной скоростью более 30 000 актов акустической эмиссии в секунду, с полной настройкой данных, фильтрацией, сортировкой импульсов по времени и их записью на жесткий диск;

— регистрировать волновые (TR) процессы с максимальной скоростью запоминания данных формы волны не менее 2,5 Мбайт в секунду, с фильтрацией, сортировкой данных по времени и их записью на жесткий диск.

Основной блок системы AMSY-5 содержит:

— сетевой переключатель с двумя светодиодными индикаторами;

— аудиоблок и громкоговоритель для прослушивания АЭ-сигналов;

— два переключателя на передней панели блока для включения/выключения режимов регистрации АЭ-сигналов и волновых (TR) процессов, а также 10 светодиодных индикаторов состояния блока (активное, неактивное, незаполненное, заполненное и т. д.);

— 15-контактный разъем типа D-Sub для подключения внешних устройств (входов параметрических счетчиков и триггеров) и подачи внешних команд (блокировки) и др. напряжением размахом до 400 В, управляемый с помощью органов управления, находящихся на передней панели или же программно;

— до восьми параметрических входных каналов.

Программное обеспечение AMSY-5 имеет следующие характеристики:

— программное обеспечение для сбора сигналов акустической эмиссии и их анализа разработано под Windows 2000 и XP;

— многозадачный режим сбора и обработки данных (с разделением этих задач) позволяет добавлять графики, изменять параметры обработки, повторно анализировать данные и т. д. в процессе тестирования, без искажения получаемых данных;

— алгоритмы определения координат АЭ-источников: линейной, плоскостной, цилиндрической, сферической, мультитриплетной, трехмерной локации, оценки состояния днищ резервуаров;

— фильтрация в реальном масштабе времени, возможность маркировки, выделения данных;

— процессор, включающий в себя возможности редактора и фильтра кластеров;

— модуль VisualClass, позволяющий анализировать форму волны, классифицировать АЭ-импульсы, определять номер класса и меру различия между классами для каждого сигнала.

Компания ИНТЕРЮНИС (Россия) производит цифровые АЭ системы A-Line, состоящие из модульных плат и поддерживающие форматы данных в стандартах ISA и PCI. Под маркой A-line выпускается несколько типов систем.

Программное обеспечение производит стандартный АЭ анализ, фильтрацию, спектральный и корреляционный анализы.

Полный спектр аппаратуры АЭ, которую выпускала компания в разное время, представлен на рис. 20.2.

Последнее поколение приборов серии A-Line представлено АЭ системами семейства A-Line 32D. Программное обеспечение АЭ систем А-Line 32D реализовано в среде Windows 9x, XP и обладает широкими возможностями наряду с простотой использования. Надежность приборов подтверждена сертификатом стандарта качества ISO 9001. Аппаратура АЭ серии A-Line 32D (PCI, PCI-N, PCI-8) представляют собой многоканальные платы регистрации и обработки АЭ данных для установки в персональный компьютер (рис. 20.3).

Многоканальные АЭ системы, построенные по такой идеологии, характеризуются отличными характеристиками, высокой скоростью обработки информации и одинаково хорошо подходят как для полевых работ, так и для научных исследований.

Система A-Line 32D отличается не только передовой элементной базой, но и выбором интерфейса ISA, в результате чего можно получить в одном корпусе полную АЭ-систему, устанавливая канальные платы и контроллер непосредственно в ПЭВМ типа IBM PC/AT. В аппаратуре A-Line 32D АЭ сигнал с входа поступает на аналогово-цифровой преобразователь и все дальнейшие преобразования и вычисления АЭ параметров выполняются в цифровом виде.

В настоящее время серийно выпускается АЭ система с традиционной архитектурой — A-Line 32D (PCI-8). A-Line 32D (PCI-8E) является законченной восьмиканальной АЭ системой на плате для компьютеров с полноскоростным PCI интерфейсом ориентированной, в первую очередь, на полевые измерения.

Платы оснащены высокопроизводительными DSP, матрицами FPGA высокой емкости и быстродействующей памятью.

Рис. 20.2. АЭ системы серии A-Line

Рис. 20.3. A-Line 32D(PCI-8)

 

Однако предыдущий представитель данного класса АЭ система A-Line 32D (PCI-N) с расширенным частотным диапазоном (до 1 МГц) все еще пользуется популярностью как недорогой вариант платы обработки АЭ данных для научных исследований.

Назначение системы A-Line 32D (PCI-8) — неразрушающий контроль без вывода из эксплуатации: трубопроводов, сосудов давления, резервуаров, котлов, железнодорожных цистерн, буровых вышек, кранов, мостов и других конструкций; использование для контроля качества оборудования, выпускаемого для нефтяной, газовой, химической, криогенной и других отраслей промышленности. Она используется для:

— выявления зарождений и развития трещин;

— поиска мест коррозии, течи, зон с повышенным уровнем напряжения;

— определения координат и оценки параметров дефектов;

— отслеживания различных технологических процессов и оценки технического состояния ответственных крупногабаритных конструкций в режиме реального времени.

Особенностями системы A-Line 32D (PCI-8) являются:

— восемь A3 каналов плюс два параметрических канала на PCI плате, занимающей один слот в компьютере;

— полноскоростной PCI интерфейс, обеспечивающий производительность 120 тысяч событий на 8 каналов;

— максимальное количество каналов — 64 АЭ канала в одном системном блоке (возможно расширение количества каналов за счет объединения нескольких системных блоков в один измерительный комплекс);

— высокий диапазон измерения амплитуды — до 100 дБ;

— программируемые высококачественные цифровые фильтры;

— анализ формы волны и спектра сигналов по каждому каналу в реальном времени;

— возможность работы с низкочастотными сигналами от 1 кГц;

— надежность каждой системы A-Line 32D (PCI-8) достигается благодаря 100 %-му входному и выходному контролю;

— традиционная схема построения АЭ системы, с применением аналоговой передачи данных от предусилителя к центральной вычислительной станции по коаксиальному кабелю, позволяет достигнуть простоты использования ALine 32D (PCI-8);

— используется программное обеспечение, реализованное в среде Windows- 9x, XP, Win7 — общее для всех приборов серии A-Line 32D.

АЭ системы серии A-Line 32D выпускаются в различных вариантах исполнения:

— Portable — компактная переносная АЭ система в индустриальном компьютере, предназначенная для измерений в полевых условиях.

— Portable XL — компактная переносная АЭ система в индустриальном компьютере увеличенных размеров, предназначенная для измерений в полевых условиях;

— Portable Sax — компактная 24- и 40-канальная переносная АЭ система в индустриальном компьютере, предназначенная для измерений в полевых условиях;

— Industrial 1900 Computer Chassis — 64-канальная АЭ система в отказо-устойчивом шасси индустриального компьютера, предназначенная для стационарных измерений и передвижных диагностических лабораторий;

— Notebook — портативная 8-канальная АЭ система в промышленном ноутбуке с пыле- и влагозащищенным корпусом, предназначенная для измерений в полевых условиях;

— Ethernet Box — портативная АЭ система сбора данных с возможностью удаленного доступа по стандартному протоколу Ethernet 10/100 Base-Т. Предназначена для совместного использования с любыми компьютерами (ноутбуками);

— Ethernet Box XL — портативная АЭ система сбора данных в корпусе увеличенных размеров с возможностью удаленного доступа по стандартному протоколу Ethernet 10/100 Base-Т. Предназначена для совместного использования с любыми компьютерами (ноутбуками);

Наравне с развитием АЭ систем традиционной архитектуры, в конце 2000 года была выпущена АЭ система с цифровой передачей данных Лель/ALine 32D (DDM)/, которая принципиально отличается от всех предыдущих представителей семейства A-Line 32D. Основной особенностью данной АЭ системы стал перенос всей регистрирующей и вычислительной части из центрального компьютера в устройство, устанавливаемое непосредственно на объекте контроля, получившее название модуль АЭ.

Лель/A-Line 32D (DDM)/ — многоканальные модульные системы сбора и обработки АЭ информации распределенного типа с последовательным высокоскоростным цифровым каналом передачи данных. АЭ системы данной серии состоят из центрального компьютера (блок сбора и обработки данных) и нескольких измерительных линий, объединяющих последовательно соединенные модули сбора и обработки АЭ информации (модули АЭ). Усиление АЭ сигналов, фильтрация, оцифровка при помощи АЦП, регистрация, последующая цифровая обработка и определение параметров АЭ производится в модуле АЭ, который располагается рядом с преобразователем АЭ непосредственно на объекте контроля. Использование цифровой передачи данных позволило оснастить АЭ систему Лель/A-Line 32D (DDM) комплектом беспроводной связи — Лель/A-Line 32D (DDM/R).

Скорость передачи данных по беспроводной линии связи не уступает варианту с использованием кабеля для передачи данных и позволяет в полной мере использовать возможности Лель/A-Line 32D (DDM).

Особенности системы:

— гальваническая развязка каждого модуля;

— высокая скорость сбора, обработки и передачи данных — более 15 тысяч

событий на каждый канал;

— диапазон рабочих частот от 30 до 500 кГц, по заказу от 1 кГц;

— анализ данных в реальном масштабе времени;

— возможность автоматического управления процессом испытаний;

— контроль протяженных объектов суммарной длиной до 5 км одной системой за одно измерение;

— возможность оснащения системы комплектом цифровой беспроводной связи (радиоканалом);

— возможность синхронизации двух и более блоков сбора и обработки данных в исполнении Ethernet Box с передачей данных как по кабельной линии, так и с помощью беспроводного интерфейса Wi-Fi;

Система предоставляет пользователю следующие возможности:

— регулируемый коэффициент усиления;

— программно переключаемые фильтры;

— режим излучения импульсов;

— цифровой осциллограф с возможностью установки независимого порога и регулируемой разверткой;

— три параметрических канала с возможностью переконфигурирования в выходы управления;

— встроенный в модуль АЭ температурный датчик;

— двухцветный индикатор состояния модуля АЭ.

АЭ система A-Line 32D(DDM) представлена на рис. 20.4.

Она состоит из компьютера и нескольких измерительных линий, образованных включенными последовательно модулями сбора и обработки АЭ информации (модулями АЭ) по числу каналов в системе. Усиление АЭ сигналов, фильтрация, оцифровка при помощи АЦП, регистрация, последующая цифровая обработка и определение параметров АЭ производится в модуле АЭ, который располагается рядом с преобразователем АЭ непосредственно на объекте контроля. В модуле АЭ находятся:

— усилитель с переменным коэффициентом усиления, меняющимся в диапазоне от 20 до 60 дБ с шагом 1 дБ, и уровнем собственных шумов менее 5 мкВ;

— 4 НЧ и 4 ВЧ переключаемых фильтра 4-го порядка;

— 14-битный АЦП с частотой преобразования 1 МГц;

— DSP, матрица FPGA и память.

Рис. 20.4. АЭ система A-Line 32D(DDM)

 

Дополнительно каждый модуль АЭ оснащен генератором импульсов с амплитудой от 10 до 140В для имитации сигнала АЭ и четырьмя параметрическими каналами с 12 битным АЦП для подключения дополнительных датчиков.

Параметры каждого АЭ сигнала и отдельные осциллограммы предаются модулями АЭ в цифровом виде на контроллер измерительной линии, который устанавливается в центральном компьютере. В один системный блок может быть установлено до 8 контроллеров измерительных линий, к каждой из которых может подключаться 12 модулей АЭ при помощи сегментов кабеля для передачи данных длиной до 100 м. В результате протяженность одной измерительной линии достигает 1,2 км. Одновременное использование двух измерительных линий дает возможность проконтролировать за один раз линейный участок трубопровода протяженностью более 2 км. Применение цифрового способа передачи данных позволяет избежать затухания сигнала и избавиться от наводок и помех, возникающих при передаче аналоговых сигналов по коаксиальным кабельным линиям. A-Line 32D (DDM) обладает высокой производительностью, позволяющей регистрировать не менее 1000 событий АЭ в секунду по каждому каналу и передавать осциллограмму сигналов одновременно со всех модулей АЭ. Использование цифровой передачи данных позволило инженерам компании «ИНТЕРЮНИС» оснастить АЭ систему A-Line 32D (DDM) комплектом беспроводной связи. Комплект A-Line 32D(DDM/R), представленный на рис. 20.5, дополнен центральной приемо-передающей станцией (ЦППС), несколькими приемо-передающими станциями (ППС) и набором антенн.

Перечисленное дополнительное оборудование предназначено для приема цифровых данных с модулей АЭ и управления ими по беспроводной линии связи. Один блок ЦППС может обеспечивать беспроводную передачу данных с 8 ППС, каждая из которых позволяет подключить один или два модуля АЭ. ППС оборудованы встроенными аккумуляторами, позволяющими обеспечить до 8 ч автономной работы устройства с подключенным модулем АЭ. Устойчивая передача данных обеспечивается в радиусе 500 м от ЦППС. В некоторых случаях при использовании направленных антенн дальность действия составляет до 1 км. Скорость передачи данных по беспроводной линии связи не уступает варианту с использованием кабеля для передачи данных и позволяет в полной мере использовать возможности A-Line 32D (DDM). Уникальность A-Line 32D (DDM) подтверждена патентом RU 2267122.

Программное обеспечение (ПО) А-Line 32D, разработанное для акустико-эмиссионных систем различных модификаций и систем комплексного мониторинга, реализовано в операционной среде Windows, основано на общих выверенных принципах управления аппаратной частью и потоками данных, выполнено в едином современном стиле в части визуального представления графической и текстовой информации и приемов настройки и представляет собой многооконный и многостраничный интерфейс, единый для всех типов и вариантов исполнения АЭ систем (рис. 20.6).

Рис. 20.5. Комплект A-Line 32D(DDM/R)

 

 

 

Рис. 20.6. Многооконный и многостраничный интерфейс

Среди основных возможностей ПО для серии A-Line можно перечислить следующие:

— графическое и текстовое представление полученных данных в ходе эксперимента и в постобработке;

— встроенные утилиты измерения скорости и затухания АЭ сигналов;

— поддержка разнообразных алгоритмов локации: линейной, планарной, зонной, объемной, на цилиндрических и сферических сосудах, на днищах резервуаров;

— наложение результатов локации на развертки и объемные модели объектов контроля;

— различные методы вычисления координат по выбору: по разности времен прихода или достижения максимума сигнала, триангуляционный или ректангуляционный алгоритм с возможностью подбора скорости;

— кластеризация объекта по количеству слоцированных АЭ событий и по расчетной амплитуде источника АЭ для обеспечения наглядности степени опасности дефекта;

— наложение на любые окна графической маски, представляющей карту швов и особенности сложной конструкции двумерного или трехмерного объекта;

— оперативное построение и наложение на любые окна линейной диаграммы для отображения динамики АЭ параметров с учетом нагружения объекта;

— гибкие критерии автоматической отбраковки ложных источников АЭ, вызванных электромагнитными наводками, помехами разного рода и переотражениями АЭ сигналов как в режиме сбора данных, так и в постобработке;

— объединение нескольких файлов данных для совместной обработки;

— фильтрация экспериментальных данных: по любому АЭ параметру, по результатам локации и кластеризации, по произвольной выделенной области данных и функциональной формуле по удалению синфазной помехи и выделению шумовых и параметрических данных;

— построение графиков зависимостей любых параметров АЭ сигналов друг от друга, времени, координат локации и данных параметрических каналов, а также гистограммы распределения количества событий по любому из параметров АЭ сигнала;

— классификация источников АЭ по степени опасности в терминах амплитудного, локально-динамического и интегрального критериев;

— спектральный анализ АЭ сигналов;

— корреляционный анализ АЭ сигналов и их спектров;

— конвертер осциллограмм сигналов АЭ в файл звукового формата WAV с различной частотой дискретизации;

— экспорт всех видов данных как в ASCII формате, так и в формате данных пакета Statistica (*.sta).

Поддержка всех перечисленных функций входит в стандартную комплектацию ПО поставляемого с АЭ системами серии A-Line 32D.

Существует отдельный модуль ПО для мониторинговой системы непрерывного наблюдения с многоуровневой иерархией доступа к настройкам и результатам работы комплекса в зависимости от статуса оператора (рис. 20.7).

Программа обеспечивает бесперебойную регистрацию, обработку и долговременное хранение показаний обширного парка датчиков, ведет подробный протокол работы системы и действий персонала. Многофакторный комплексный анализ данных, поступающих с сенсорных узлов различного типа, позволяет свести к минимуму влияние человеческого фактора на оценку результатов диагностического мониторинга. В случае возникновения опасной ситуации система включает сигналы звуковой и световой тревоги, указывает местоположение и тип возможного повреждения, выдает рекомендации по действию персонала и предпринимает иные предусмотренные шаги по предотвращению аварии. Программный модуль позволяет вести глубокую статистическую обработку и накопление базы данных по техническому состоянию объекта.

Рис.20.7. Отдельный модуль ПО для мониторинговой системы на базе A-Line 32D

 

Для комплексного диагностического и коррозионного мониторинга промышленных объектов разработана система Лель-М/A-Line 32D (DDM-M).

Она предназначена для непрерывного мониторинга технического состояния опасных производственных объектов предприятий нефтегазодобывающей, нефтегазоперерабатывающей, нефтехимической, химической и других отраслей промышленности, подведомственных Ростехнадзору РФ.

Аппаратно система Лель-М/A-Line 32D (DDM-M)/ реализована как распределенная система сбора и обработки диагностических данных и состоит из центральной вычислительной станции (ЦВС), коммутационных шкафов гальванической развязки и подачи питания (КШГР), модулей управления, измерения и коммутации (МУИК), концентраторов и набора цифровых многофункциональных измерительных модулей во взрывозащищенном исполнении (ММСП).

На базе этой системы могут быть реализованы различные варианты конфигурации мониторинговых систем, предназначенных для решения широкого спектра задач.

Системы комплексного диагностического мониторинга, построенные на базе Лель-М/A-Line 32D (DDM-M)/, функционально состоят из трех основных частей: измерительной, вычислительной и исполнительной.

Измерительная часть включает в себя многофункциональные измерительные модули с набором различных диагностических и параметрических датчиков. Вычислительная часть реализуется в промежуточных и центральной вычислительных станциях. Исполнительная часть включает в себя функции управления внешним исполнительным оборудованием, если это необходимо.

Система Лель-М/A-Line 32D (DDM-M)/ имеет общее ядро управления на базе центральной вычислительной станции. Центральная вычислительная станция обеспечивает накопление и полный анализ всех полученных данных, их отображение, принятие решения и формирование управляющих команд для многофункциональных измерительных модулей и исполнительного оборудования. Коммутационный шкаф — устройство, предназначенное для обеспечения питания и гальванической развязки концентраторов и измерительных линий.

Лекция № 21. Акустическая эмиссия. Акустико-эмиссионные преобразователи и предварительные усилители

Преобразователи

Акустическая волна, излученная растущим дефектом, распространяется по объекту, доходит до его поверхности, воздействует на активный элемент ПАЭ и преобразуется в сигнал электрического напряжения, который далее анализируется и обрабатывается.

Датчик (рис. 21.1) возбуждается волнами напряжений, попадающими на его донышко, и преобразует их в электрические сигналы. Эти сигналы поступают на расположенный поблизости предусилитель, усиливаются и на конечном этапе регистрации поступают на основную измерительную и обрабатывающую аппаратуру.

В последнее время с целью достижения больших удобств при установке и одновременно снижения чувствительности к электромагнитным наводкам предусилители делают миниатюрными и размещают непосредственно в корпусе датчика, получая совмещенный датчик-предусилитель. Одним из основных требований к датчику является его высокая чувствительность. И хотя в целом высококачественными датчиками считаются датчики, обладающие плоской частотной характеристикой, однако в большинстве практических случаев наиболее чувствительными, а потому предпочтительными, являются резонансные датчики, которые к тому же являются более дешевыми, чем широкополосные.

Эти датчики имеют сравнительно узкую полосу частот, в которой происходит преимущественное колебание. Частотная полоса определяется в основном размером и формой кристалла. Частоты, характеризующие датчик, являются доминирующими при образовании формы и спектра АЭ сигнала. Датчик оказывает существенное влияние на форму сигнала. Когда широкополосный сигнал эмиссии воздействует на резонансный датчик, в результате получается эффект колокольчика, звенящего на определенной частоте, независимо от способа своего возбуждения. Таким образом, на форму сигнала на выходе датчика одновременно влияют многие факторы: пути распространения волн, наличие различных мод, распространяющихся с разными скоростями, и эффект преобразования входного сигнала датчиком. ПАЭ можно представить однородной линейной системой (рис. 21.2), преобразующей смещение рабочей поверхности ПАЭ x(t) в электрический сигнал y(t).

Рис. 21.1. Конструкция резонансного АЭ датчика

Рис. 21.2. Структурная схема ПАЭ

На рис. 50 f — импульсная переходная характеристика системы — реакция системы на импульсное единичное воздействие. Выходное y(t) и входное воздействие x(t) связаны соотношением

                                                                                            (21.1)

Преобразование Фурье импульсной переходной характеристики f называется амплитудно-частотной характеристикой системы H.

Применяя преобразование Фурье для соотношения (21.1) слева и справа, получаем:

                                                                                                          (21.2)

где  — спектр выходного сигнала;  — спектр входного сигнала.

На рис. 21.3 представлено наглядное изображение преобразования АЭ сигнала преобразователем. Как видно из рис. 21.3 спектр сигнала АЭ, содержащий широкий диапазон частот, существенно меняется на выходе из преобразователя.

В зависимости от вида амплитудно-частотной характеристики преобразователи подразделяются на резонансные (узкополосные), полосовые и широкополосные (рис. 21.4).

Узкополосные ПАЭ являются, как правило, резонансными системами и имеют максимум чувствительности на рабочей частоте, выбранной в соответствии с условиями контроля. Максимальная чувствительность узкополосных ПАЭ значительно превосходит максимальную чувствительность широкополосных преобразователей. ПАЭ с узкой частотой пропускания применяются, когда выбрана частота контроля объекта и основное требование сводится к обнаружению момента возникновения дефекта или начала его роста.

                                                                                                                (21.3)

Резонансными считаются такие преобразователи, которые отвечают требованиям: где f — рабочая частота преобразователя; Δf — полоса пропускания.

Рис. 21.3. Спектр сигнала до преобразования  и после преобразования

 

Широкополосные ПАЭ в наименьшей степени искажают АЭ сигнал, и поэтому их лучше всего применять при исследованиях явления АЭ. В форме сигналов АЭ содержится значительная информация о параметрах исследуемого процесса и поэтому акустико-электрический канал должен обеспечивать передачу формы сигнала с минимальными искажениями. Поскольку сигнал АЭ имеют весьма широкий спектр частот, ПАЭ должны быть широкополосными.

Однако при этом неизбежны потери, обусловленные уменьшением чувствительности и главным образом возрастанием уровня шумов. Поэтому использование широкополосных ПАЭ для производственного контроля в большинстве случаев затруднено и нецелесообразно.

.

Рис. 21.4. Частотные зависимости чувствительности K различных типов ПАЭ:

1 — резонансный; 2 — полосой; 3 — широкополосный;  —резонансная частота преобразователя

Полосовые ПАЭ являются промежуточным звеном между широкополосными и резонансными и вследствие этого обладают достоинствами тех и других. Полосовые и широкополосные ПАЭ должны иметь минимальную неравномерность чувствительности в полосе пропускания, малый уровень собственных шумов. Кроме того, у полосовых ПАЭ должно быть большое затухание вне рабочей зоны.

Основным элементом ПАЭ является преобразователь акустического сигнала в электрический, в качестве которого используется пьезоэлектрический преобразователь (пьезоэлемент) в виде пластины, цилиндра (сплошного стержня или пустотелого цилиндра), конуса. Схема активной части ПАЭ приведена на рис. 21.5, а . Демпфер используется в основном для широкополосных и полосовых преобразователей. Демпфер расширяет полосу пропускания ПАЭ и несколько уменьшает его чувствительность.

Иногда для повышения устойчивости к электромагнитным помехам пьезоэлементы выполняют по дифференциальной схеме. Для создания дифференциального преобразователя можно обычную поляризованную пьезопластину в виде диска разрезать на две половины, одну из которых перевернуть на  (рис. 21.5, б). Получают две половинки пьезопластины, поляризованные в разные стороны. Электрически соединяют нижние поверхности половинок пьезопластин, а противоположные электроды подсоединяют к дифференциальному входу усилителя.

 

 

Рис. 21.5. Схема выполнения активной части обычного (а) и дифференциального (б) ПАЭ

 

При акустическом возбуждении на электродах пьезоэлементов возникают заряды разных знаков, которые усиливаются дифференциальным усилителем.

Электромагнитные помехи возбуждают синфазный сигнал на выходе ПАЭ, который не пропускается для дальнейшей обработки дифференциальным усилителем. Для контроля следует применять однотипные преобразователи, частотная полоса которых выбирается исходя из того, чтобы уровень акустических шумов в этой полосе был минимальным. На выбор частотной полосы регистрации АЭ сигналов влияет также затухание упругих волн в материале объекта.

Высокочастотные составляющие АЭ сигналов сильно затухают при больших расстояниях между источником АЭ и преобразователем, что ограничивает полосу регистрации со стороны высоких частот. Опыт АЭ испытаний показывает, что для контроля корпусов энергетических реакторов, трубопроводов первого контура, сосудов давления и металлоконструкций АЭ целесообразно выбирать датчики с частотной полосой в диапазоне от 10 до 2000 кГц. На более низких частотах АЭ сигналы, как правило, маскируются посторонними шумами, а на высоких — существенно затухание упругих волн. Последнее приводит к необходимости использовать большое число датчиков для снижения погрешности определения координат АЭ источников в зонах контроля. При высоком уровне шумов диагностируемого объекта рекомендуется использовать резонансные преобразователи с применением дифференциальных схем включения.

Датчики при необходимости должны иметь радиационно стойкое исполнение и максимально возможную помехозащищенность. Если для локализации АЭ источников в одном и том же конструктивном элементе используется группа датчиков, то их коэффициенты преобразования не должны отличаться более чем на 3 дБ. Поверхность диагностируемого объекта в месте установки датчиков обрабатывается так, чтобы ее шероховатость не превышала Rz = 40 мкм.

Смазочные материалы, жидкости и среды, применяемые для обеспечения акустического контакта преобразователя с объектом контроля, не должны оказывать негативного, например, коррозионного воздействия на объект контроля и терять своих служебных свойств в радиационных полях и при рабочей температуре объекта контроля.

После установки датчиков на объекте контроля, а также после проведения измерений, с помощью имитатора АЭ сигналов, размещенного на определенном расстоянии от каждого преобразователя, проводится проверка их работоспособности. Отклонение зарегистрированной амплитуды сигналов не должно превышать 3 дБ от среднего значения всех каналов. Если это отклонение больше указанного значения, при оценке результатов диагностики учитывается разброс чувствительности каналов. Коэффициент усиления каналов и порог дискриминации сигналов выбирают с учетом ожидаемого диапазона изменения амплитуды АЭ сигналов. При этом следует обеспечить регистрацию параметров акустической эмиссии без искажения. В качестве имитатора используется пьезоэлектрический преобразователь, на который подают электрические импульсы от генератора импульсных сигналов. Размеры преобразователя выбирают таким образом, чтобы частотный спектр имитационного импульса соответствовал частотному диапазону датчиков и АЭ системы контроля. В качестве имитатора АЭ сигналов можно использовать так называемый источник Су–Нильсена. Импульс упругих волн в этом случае возникает при изломе графитового стержня диаметром 0,3. . . 0,5 мм и твердостью 2Т, введенного в контакт с контролируемым объектом в той точке, где необходимо создать источник АЭ сигналов.

На основе исследований, проведенных в Ростовском государственном университете, разработан ряд ПАЭ: резонансные — ПАЭР, полосовые — ПАЭПП1, ПАЭПП2, повышенной температуры — ПАЭРТ, высокотемпературные ПАЭП- ПВ. Преобразователи испытаны при работе в одно- и многоканальных системах АЭ контроля. Диаграмма направленности круговая. ПАЭПП обладают селективностью к приему продольных (нормальных к рабочей поверхности) смещений. ПАЭР не селективны. ПАЭ могут изготавливаться с предварительными усилителями, встроенными в корпус преобразователя (ПАЭРЭ, ПАЭПП1Э, ПАЭПП2Э), обеспечивающими передачу сигнала по кабелю до 100 м. Предварительные усилители должны иметь коэффициент усиления до 40 дБ и приведенное ко входу эффективное значение шума не более 10 мкВ в максимально широкой полосе. Рабочая полоса ПУ должна быть от единиц кГц до 1,5. . . 2МГц с улучшеным согласованием в широкой полосе. Питание предусилителя должно осуществляться по сигнальному кабелю. Напряжение питания: 6. . . 28 В.

Предусилитель сигналов, поступающих с датчика, размещают непосредственно в его корпусе или вблизи датчика. В этом случае длина экранированного кабеля, соединяющего датчик с предусилителем, не должна превышать 2 м, длина соединительного кабеля предусилителя с измерительной аппаратурой не должна быть больше 150 м, а ослабление сигнала в кабеле не более 1 дБ на 30 м длины.

Предварительные усилители

Назначение предусилителя заключается в приеме сигнала от преобразователя, подготовке сигнала для передачи в основной блок в целях его дальнейшей обработки. Предусилитель должен быть согласован с преобразователем АЭ, с которым он соединен небольшим, не более 1. . . 1,5 м, отрезком радиочастотного кабеля. Цель такого электрического согласования заключается в максимизации передаваемой энергии сигнала АЭ и увеличения отношения сигнал/шум.

Для уменьшения электрической емкости цепи, соединяющей ПАЭ с предусилителем, последний иногда размещают непосредственно в корпусе преобразователя. В таком случае преобразователь АЭ называют интегральным. Как правило, расстояние между ПАЭ (с предусилителем) и основным блоком может быть весьма большим — до нескольких десятков метров. Это связано с необходимостью обеспечения безопасности персонала при проведении испытаний объектов с использованием повышенного давления. При выполнении АЭ-контроля протяженных объектов (больших сосудов, трубопроводов и т.д.) расстояние между указанными элементами АЭ-канала также велико и может достигать сотен метров. Данное обстоятельство предопределяет выполнение предусилителя с малым выходным импедансом, в случае аналоговой передачи АЭ информации, и достаточной мощностью для обеспечения передачи АЭ в основной блок для дальнейшей обработки.

Лекция № 22. Акустическая эмиссия. Обработка информации

Дата: 2018-11-18, просмотров: 51.