Многоканальная акустико-эмиссионная система для диагностики промышленных объектов и устройство регистрации и обработки акустико- эмиссионных сигналов

Изобретение относится к области технической диагностики и неразрушающего контроля промышленных объектов с использованием метода акустической эмиссии (АЭ). Сущность: многоканальная АЭ система с цифровой обработкой и передачей данных состоит из нескольких измерительных линий, каждая из которых образована двумя и более каналами, соединенными последовательно с возможностью ретрансляции и восстановления передаваемых данных. Каждый канал состоит из преобразователя АЭ и устройства регистрации и обработки АЭ сигналов и установлен непосредственно на диагностируемом объекте. Устройство регистрации и обработки АЭ сигналов содержит блок питания и связанные последовательно блок предусилителя, блок основного усилителя и блок цифровой обработки и передачи данных. В указанном устройстве выполняется полностью цифровая обработка АЭ сигналов, формируются информационные пакеты, содержащие вычисленные акустико-эмиссионные параметры и осциллограммы акустико-эмиссионных сигналов с последующей передачей данных по последовательному высокоскоростному цифровому каналу. Технический результат изобретения: увеличение размера зоны контроля, повышение помехозащищенности и улучшение потребительских свойств. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области технической диагностики и неразрушающего контроля объектов по сигналам акустической эмиссии и используется для оценки технического состояния опасных производственных объектов: трубопроводов, нефтехранилищ, резервуаров, сосудов давления, буровых платформ, мостов, атомных и химических реакторов и других инженерных сооружений.

Известна многофункциональная акустико-эмиссионная (АЭ) система диагностики конструкций (Патент РФ №2141655, МПК7 G 01 N 29/14), включающая акустические приемники-преобразователи, последовательно соединенные с быстродействующими аналого-цифровыми преобразователями многоканального модуля регистрации и предварительной обработки акустических сигналов с процессором, связанного с модулем анализа акустических сигналов с процессором. При этом система дополнена, по крайней мере, одним многоканальным модулем регистрации и предварительной обработки акустических сигналов с процессором и, по крайней мере, одним модулем анализа акустических сигналов с процессором, причем каждый многоканальный модуль регистрации и предварительной обработки акустических сигналов имеет связанное с быстродействующими аналого-цифровыми преобразователями устройство синхронизации их работы, процессоры многоканальных модулей регистрации и предварительной обработки акустических сигналов и процессоры модулей анализа акустических сигналов снабжены сетевой операционной системой реального времени, при этом все процессоры посредством соединенных с ними сетевых карт связаны между собой, совместно, образуя многопроцессорную локально-вычислительную сеть распределенной параллельной обработки акустических сигналов под управлением операционной системы реального времени.

Недостатком данного устройства является следующее:

- ограничение возможности контроля промышленных объектов в реальных условиях, поскольку большая длина линии передачи аналогового сигнала от преобразователя акустической эмиссии до аналого-цифрового преобразователя влечет за собой образование наводок и помех в аналоговом сигнале на входе измерительного тракта;

- невозможность компактного портативного исполнения данного устройства, поскольку присутствие в модуле регистрации и предварительной обработки акустических сигналов полноценной процессорной платы и сетевой карты делает физическое исполнение данного модуля громоздким и тяжелым, что в свою очередь вызывает трудности при транспортировке и установке системы в многоканальном исполнении;

- отсутствие встроенных элементов электропитания данных модулей также не позволяет выполнить указанную систему компактной, малогабаритной и переносной, поскольку для обеспечения питания модулей регистрации и предварительной обработки и модулей анализа акустических сигналов необходимо обеспечение внешнего питания;

- одновременная работа процессоров в многопроцессорной локально-вычислительной сети требует сложных механизмов программно-аппаратного взаимодействия, что неизбежно приводит к увеличению загрузки сети (Ethernet), и, как следствие, снижению общей производительности указанной многоканальной АЭ системы в целом;

- невозможность контроля крупногабаритных и протяженных объектов, поскольку использование протокола Ethernet ограничивает возможность удаления модулей регистрации и предварительной обработки от модулей анализа акустических сигналов.

Наиболее близкой по технической сущности является многоканальная система диагностики конструкций (Патент РФ №2217741, МПК7 G 01 N 29/14), состоящая из 1...n каналов, каждый из которых содержит последовательно соединенные акустический преобразователь, предварительный усилитель, фильтр, основной усилитель, компаратор, выход которого соединен с таймером, устройство сопряжения, цифроаналоговый преобразователь, выход которого подключен к неинвертирующему входу компаратора, а также содержит аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен с первым входом оперативного запоминающего устройства. При этом в системе основной усилитель выполнен программируемым, а его выход подключен к инвертирующему входу компаратора и аналого-цифровому преобразователю, выход оперативного запоминающего устройства соединен с первым входом сигнального процессора, выход которого подключен к устройству сопряжения, а выход устройства сопряжения соединен с локальной сетью, которая в свою очередь соединена с компьютером, выход таймера подключен к входу устройства управления, причем первый выход устройства управления соединен с входом генератора, выход которого через ключ соединен с акустическим преобразователем, второй выход устройства управления соединен с управляющим входом оперативного запоминающего устройства, третий выход устройства управления соединен со вторым входом сигнального процессора, при этом устройство управления также выполнено с возможностью подачи команды на увеличение порога срабатывания, который с помощью цифроаналогового преобразователя устанавливается на входе компаратора.

Однако данное устройство обладает рядом недостатков:

- невозможность уточнения времени прихода сигнала и, как следствие, определения достоверности локации, поскольку в указанном устройстве установлен аналоговый компаратор, который не позволяет устройству анализировать предысторию акустико-эмиссионного сигнала, т.е. анализировать сигнал до пересечения им порогового уровня;

- отсутствие возможности гибкого и оперативного изменения усилительного тракта при различных условиях контроля и акустической обстановки на контролируемом объекте из-за отсутствия программируемых фильтров и возможности оперативно изменять коэффициент усиления, поскольку переключение коэффициента усиления осуществляется вручную посредством перемычек, что связано с необходимостью доступа к внутреннему содержанию прибора;

- невозможность контроля протяженных и крупногабаритных объектов в полевых условиях из-за отсутствия элементов электропитания в предлагаемом устройстве;

- невозможность компактного портативного исполнения акустико-эмиссионной системы, поскольку использование в известной системе сетевой технологии Ethernet приводит к большой потребляемой мощности каждого канала системы;

- неизбежность потери информации при увеличении расстояния между каналами и количества передаваемых данных (количества каналов) и, как следствие, невозможность расширения зоны контроля;

- отсутствие возможности наблюдения в канале за физическими параметрами контролируемых объектов, таких как давление, уровень жидкости, перемещение, температура и т.д., не позволяет проводить полноценный анализ состояния контролируемого объекта и определять степень опасности обнаруженных источников АЭ;

- отсутствие возможности управления в канале внешними устройствами контролируемого объекта.

Также из уровня техники известно устройство, принятое за прототип, - блок обработки акустических сигналов (Патент РФ №2093278, МПК7 В 06 В 1/06), содержащий приемный акустоэлектрический преобразователь, аналоговый усилитель и процессор обработки сигналов. Кроме того, в него введены калибровочный электроакустический преобразователь, поглощающая масса, квантователь по уровню и времени, виброгасящая жидкость, а все элементы блока обработки акустических сигналов установлены в одном корпусе, состоящем из двух герметично изолированных друг от друга частей, причем аналоговый усилитель, квантователь по уровню и времени и процессор обработки сигналов электрически последовательно связаны между собой и расположены в одной из частей корпуса, а в другой части корпуса размещены поглощающаяся масса, одна сторона которой контактирует с тыльной поверхностью приемного акустоэлектрического преобразователя, а другие окружены виброгасящей жидкостью, и калибровочный электроакустический преобразователь, установленный на поглощающей массе с возможностью акустического контакта через нее с приемным акустоэлектрическим преобразователем, при этом выход приемного акустоэлектрического преобразователя связан с входом аналогового усилителя.

Недостатками данного устройства являются следующие:

- невозможность контроля качества установки других преобразователей акустической эмиссии, установленных на объекте, определения скорости распространения и затухания акустической волны в контролируемом объекте, определения размеров зон локализации АЭ сигналов вследствие конструктивного расположения калибровочного элемента внутри корпуса на поглощающей массе;

- невозможность подачи импульса калибровочным элементом с изменяемой амплитудой;

- невозможность выбора частотного диапазона и коэффициента усиления;

- отсутствие возможности управления внешними устройствами;

- невозможность наблюдения за физическими параметрами контролируемого объекта, такими как давление, уровень жидкости, перемещение, температуры и т.д.

Задачей заявленного изобретения является создание мобильной многоканальной акустико-эмиссионной системы и малогабаритного устройства регистрации и обработки акустико-эмиссионных сигналов с возможностью:

- контроля протяженных и крупногабаритных объектов за счет большого количества подключенных каналов и обеспечения возможности большой удаленности каналов друг от друга и от электронно-вычислительной машины без необходимости применения дополнительных мер по обеспечению устройств регистрации и обработки АЭ сигналов электропитанием на месте их установки;

- полностью цифровой обработки сигналов акустической эмиссии и вычисления акустико-эмиссионных параметров в одном малогабаритном устройстве, установленном непосредственно на объекте контроля;

- передачи с каждого устройства регистрации и обработки акустико-эмиссионных сигналов осциллограмм АЭ сигналов в ЭВМ для дальнейшего хранения и анализа;

- обеспечения постоянной высокой скорости передачи данных, независимо от длины измерительной линии и количества устройств регистрации и обработки акустико-эмиссионных сигналов;

- высокой точности временной синхронизации;

- обеспечения высокой точности определения акустико-эмиссионных параметров.

Поставленная задача решается за счет того, что многоканальная акустико-эмиссионная система для диагностики промышленных объектов состоит из n каналов. При этом каждый из каналов установлен непосредственно на диагностируемом объекте и содержит, по меньшей мере, один преобразователь акустической эмиссии, соединенный с устройством регистрации и обработки акустико-эмиссионных сигналов, которое предназначено для цифровой обработки акустико-эмиссионных сигналов, определения акустико-эмиссионных параметров и последующей передачи данных по последовательному высокоскоростному цифровому каналу. Устройство регистрации и обработки акустико-эмиссионных сигналов включает в себя осциллограф, выполнено с возможностью формирования информационных пакетов, содержащих вычисленные акустико-эмиссионные параметры и осциллограммы акустико-эмиссионных сигналов.

Устройства регистрации и обработки акустико-эмиссионных сигналов соединены между собой с возможностью ретрансляции и восстановления информационных пакетов, причем каналы образуют, по меньшей мере, одну измерительную линию, соединенную с ЭВМ посредством контроллера, выполненного с возможностью взаимодействия, по меньшей мере, с одной измерительной линией.

Канал передачи данных выполнен с использованием проводной и/или беспроводной связи.

Каналы могут быть соединены последовательно и/или параллельно.

Система выполнена с возможностью управления от внешнего устройства по протоколу TCP/IP по проводной и/или беспроводной линии связи.

Система снабжена блоком питания для обеспечения электропитанием устройств регистрации и обработки акустико-эмиссионных сигналов по кабелю передачи данных измерительной линии и содержит устройство контроля электропитания измерительной линии.

Устройство регистрации и обработки акустико-эмиссионных сигналов содержит корпус, в котором расположены блок предусилителя, вход которого соединен с преобразователем акустической эмиссии, блок основного усилителя и блок цифровой обработки и передачи данных. Устройство снабжено блоком питания с гальванической развязкой, по меньшей мере, один из блоков расположен в отдельном экранированном отсеке и/или выполнен экранированным. Блок предусилителя, блок основного усилителя и блок питания расположены в одной части корпуса, а блок цифровой обработки и передачи данных расположен в другой части корпуса. Элемент межблочных соединений расположен между двумя частями корпуса с возможностью экранирования блоков, которые соединены между собой через элемент межблочных соединений.

Устройство регистрации и обработки акустико-эмиссионных сигналов дополнительно оснащено, по меньшей мере, одним индикатором и/или, по меньшей мере, одним параметрическим входом, и/или, по меньшей мере, одним выходом управления внешним устройством.

Устройство регистрации и обработки акустико-эмиссионных сигналов снабжено излучателем импульсов с программно изменяемой амплитудой.

Устройство регистрации и обработки акустико-эмиссионных сигналов выполнено с возможностью программного выбора частотного диапазона и коэффициента усиления.

Блок цифровой обработки и передачи данных снабжен устройством обработки данных, выполненным с возможностью цифровой фильтрации и/или корреляционного анализа и определения акустико-эмиссионных параметров.

Предлагаемая система, по сравнению с существующими акустико-эмиссионными системами, позволяет проводить полностью цифровую обработку акустико-эмиссионных сигналов и вычисление акустико-эмиссионных параметров в устройстве регистрации и обработки акустико-эмиссионных сигналов, установленном непосредственно на объекте контроля рядом с датчиком, снизить потребление электроэнергии каждого из устройств, получать осциллограммы АЭ сигналов с предысторией со всех каналов в синхронном или асинхронном режиме, переключать каждый канал на излучение импульсов с изменяемой амплитудой, управлять внешними устройствами, передавать данные на расстояние более 1,5 километров (при использовании 1-ой измерительной линии) за счет применения ретрансляции с восстановлением данных, проводить контроль объекта с линейными размерами более 3 километров (при использовании 2-х измерительных линий) за одно измерение, программно управлять коэффициентом усиления и частотным диапазоном устройств, проводить контроль объекта в полевых условиях; имеет несколько универсальных низкочастотных параметрических входов на каждом канале, гальваническую развязку питания в устройствах и высокую помехозащищенность.

Технический результат, получаемый при реализации заявленного изобретения, - увеличение размеров контролируемой зоны для крупногабаритных и протяженных объектов, улучшение помехозащищенности (элементов) системы, снижение энергопотребления устройств регистрации и обработки акустико-эмиссионных сигналов, повышение точности в определении координат источников акустической эмиссии, обеспечение высокой производительности (быстродействия) АЭ системы, улучшение потребительских свойств.

Сущность изобретения поясняется рисунками.

На фиг.1 показана структурная схема многоканальной акустико-эмиссионной системы для диагностики промышленных объектов.

На фиг.2 - функциональная схема устройства регистрации и обработки акустико-эмиссионных сигналов.

Многоканальная акустико-эмиссионная система для диагностики промышленных объектов, представленная на фиг.1, содержит:

1 - преобразователь акустической эмиссии (ПАЭ);

2 - устройство регистрации и обработки акустико-эмиссионных сигналов;

3 - контроллер;

4 - электронно-вычислительную машину (ЭВМ).

Представленная на фиг.2 функциональная схема устройства регистрации и обработки акустико-эмиссионных сигналов содержит:

- блок предусилителя (5) с расположенными в нем предусилителем (10) и излучателем импульсов (11);

- блок основного усилителя (6) с расположенными в нем усилителем с программируемым коэффициентом усиления (12), переключаемыми ВЧ и НЧ фильтрами (13), устройством формирования управляющего напряжения (14), согласующего усилителя (15);

- блок цифровой обработки и передачи данных (7) с расположенными в нем быстродействующим аналого-цифровым преобразователем (АЦП) АЭ канала (16), устройством обработки данных (17), цифровым осциллографом (18), датчиком температуры (19), параметрическими входами (20), АЦП параметрических каналов (21), устройством управления и коммуникации (22), устройством индикации (23), устройством ретрансляции и восстановления (24), выходом управления внешними устройствами (27);

- блок питания (8) с расположенными в нем устройствами питания аналоговой части (25) и питания цифровой части (26);

- элемент межблочных соединений (9).

Предложенная система и устройство в ней содержит следующее:

Многоканальная акустико-эмиссионная система для диагностики промышленных объектов, функциональная схема которой приведена на фиг.1, представляет собой систему, состоящую из n каналов. При этом каждый из каналов установлен непосредственно на диагностируемом объекте и содержит, по меньшей мере, один преобразователь акустической эмиссии, соединенный с устройством регистрации и обработки акустико-эмиссионных сигналов, которое предназначено для цифровой обработки акустико-эмиссионных сигналов, определения акустико-эмиссионных параметров и последующей передачи данных по последовательному высокоскоростному цифровому каналу. Устройство регистрации и обработки акустико-эмиссионных сигналов включает в себя осциллограф, выполнено с возможностью формирования информационных пакетов, содержащих вычисленные акустико-эмиссионные параметры и осциллограммы акустико-эмиссионных сигналов. Устройства регистрации и обработки акустико-эмиссионных сигналов соединены между собой с возможностью ретрансляции и восстановления информационных пакетов, причем каналы образуют, по меньшей мере, одну измерительную линию, соединенную с ЭВМ посредством контроллера, выполненного с возможностью взаимодействия, по меньшей мере, с одной измерительной линией. Устройство регистрации и обработки акустико-эмиссионных сигналов содержит корпус, в котором расположены блок предусилителя, вход которого соединен с преобразователем акустической эмиссии, блок основного усилителя и блок цифровой обработки и передачи данных. Устройство снабжено блоком питания с гальванической развязкой, по меньшей мере, один из блоков расположен в отдельном экранированном отсеке и/или выполнен экранированным. Блок предусилителя, блок основного усилителя и блок питания расположены в одной части корпуса, а блок цифровой обработки и передачи данных расположен в другой части корпуса. Элемент межблочных соединений расположен между двумя частями корпуса с возможностью экранирования блоков, которые соединены между собой через элемент межблочных соединений.

Электронно-вычислительная машина (ЭВМ) выполнена в виде персонального компьютера в портативном или стационарном исполнении, кроме того, она может быть выполнена в индустриальном исполнении. Исполнение ЭВМ в том или ином виде определяется назначением, а именно:

Для проведения диагностики промышленных объектов в полевых условиях электронно-вычислительная машина может быть выполнена в виде компактного переносного персонального компьютера, например: Notebook.

Для осуществления постоянного контроля промышленных объектов ЭВМ может быть выполнена в стационарном исполнении.

В случае диагностики промышленного объекта, в ходе контроля которого могут возникнуть химические или механические воздействия на ЭВМ, возможно исполнение в виде индустриального компьютера Industrial 19" Computer Chassis. Кроме того, такое выполнение ЭВМ позволяет использовать ее в передвижных диагностических лабораториях.

Для выполнения диагностики особо опасных промышленных объектов, где при проведении работ человеческая жизнь может быть подвержена опасности, предлагаемая система может быть выполнена в виде компактной АЭ системы сбора данных с обеспечением удаленного доступа к электронно-вычислительной машине для снятия данных и управления по протоколу TCP/IP через любой компьютер (ноутбук, персональный компьютер, индустриальная станция), обладающий возможностью работы по протоколу Ethernet 10/100 Base-T.

В состав ЭВМ входят один или несколько контроллеров, дополнительный блок питания для обеспечения электропитанием измерительных линий и панель для подключения кабелей передачи данных с индикацией состояния измерительных линий.

На физическом уровне одно или несколько устройств регистрации и обработки акустико-эмиссионных сигналов (2) (каждое из которых вместе с подключенным преобразователем АЭ входит в состав канала), соединенные кабелем передачи данных через контроллер с ЭВМ, образуют измерительную линию. От устройств (2) кабели передачи данных посредством разъемов подсоединяются к панели для подключения измерительных линий, расположенной на ЭВМ. В случае, если устройств (2) в измерительной линии несколько, измерительная линия образуется соединением устройств (2) между собой и далее кабелем передачи данных через контроллер с ЭВМ, при этом устройство (2), соединенное непосредственно с ЭВМ, получает номер 1 на этой измерительной линии, следующее устройство (2), присоединенное к первому, получает номер 2 на измерительной линии и т.д. К последнему в линии устройству необходимо подключить терминатор, который предназначен для замыкания электрической цепи контроля собранной линии передачи данных.

В зависимости от формы контролируемого объекта устройства (2) могут соединяться последовательно друг за другом или параллельно, когда каждое устройство (2) является конечным элементом измерительной линии. Кроме того, в случае диагностирования объектов сложной формы устройства (2) могут соединяться одновременно и последовательно и параллельно, а также к одному устройству (2) могут подсоединяться несколько преобразователей акустической эмиссии.

Контроллер (3) служит для управления и получения данных с одного или нескольких устройств регистрации и обработки акустико-эмиссионных сигналов (2), составляющих измерительную линию. Количество измерительных линий в предложенной системе определяется количеством контроллеров, установленных в ЭВМ. При этом каждый контроллер может обслуживать как одну, так и несколько измерительных линий.

Блоки питания, входящие в состав ЭВМ, обеспечивают подачу установленного напряжения по кабелю передачи данных для электропитания устройств (2). Кроме того, в ЭВМ присутствует устройство контроля электропитания измерительных линий, назначение которого - контроль подачи электропитания в измерительную линию. Питание по кабелю передачи данных подается только в том случае, если линия собрана полностью. В случае превышения допустимого числа соединенных между собой устройств (2), обрыва или короткого замыкания в измерительной линии подача питания автоматически прекращается. Дополнительный контроль за подачей питания в линию осуществляется визуально - по светодиодам, расположенным на панели для подключения измерительных линий.

Электропитание предложенной системы осуществляется в зависимости от месторасположения объекта контроля. При проведении длительного мониторинга промышленного объекта система в стационарном исполнении подключается к местной действующей электросети напряжением 220 В.

При контроле объекта в полевых условиях питание осуществляется от автономного источника питания, например от бензогенератора или от аккумуляторных батарей.

Также возможно осуществление питания системы от бортовой сети автомобиля, что позволяет реализовать заявленное изобретение как передвижной мобильный комплекс для диагностики промышленных объектов.

Передача данных от устройств регистрации и обработки акустико-эмиссионных сигналов осуществляется по последовательному высокоскоростному цифровому каналу передачи данных.

При передаче данных на большие расстояния происходит искажение передаваемого сигнала, которое может привести к ошибке в информационном пакете данных. В связи с этим в системе применено устройство ретрансляции и восстановления (24), расположенное в устройстве регистрации и обработки акустико-эмиссионных сигналов. Устройство ретрансляции и восстановления позволяет полностью восстановить искаженные данные и передать их к следующему устройству (2), и далее, по цепочке, в ЭВМ.

Обычно при выполнении диагностики промышленных объектов канал передачи данных между устройствами регистрации и обработки акустико-эмиссионных сигналов и электронно-вычислительной машиной выполняется в виде проводной связи. Однако на практике имеют место случаи, когда использование проводной связи затруднено, например, из-за месторасположения контролируемого объекта. В этом случае связь между устройствами (2) и ЭВМ осуществляется по цифровому радиоканалу передачи данных.

Одним из ключевых элементов в предлагаемой акустико-эмиссионной системе является устройство регистрации и обработки акустико-эмиссионных сигналов (2). Это компактное малогабаритное устройство с небольшим весом и низким потреблением электроэнергии.

Корпус устройства, как правило, выполненный из металла, состоит из двух частей. В одной части корпуса расположены блок питания, блок предусилителя и блок основного усилителя, а в другой части расположен блок цифровой обработки и передачи данных. Разделение корпуса на части и раздельное размещение в нем блока цифровой обработки и передачи данных от всех вышеперечисленных блоков позволяет добиться улучшения защиты блока цифровой обработки и передачи данных от наводок и помех.

Элемент межблочных соединений, через который подается напряжение питания и сигналы между указанными выше блоками, расположен между двумя частями устройства. Данный элемент выполнен и установлен таким образом, что является экраном между блоками.

Для улучшения защиты от помех и наводок блоки выполнены экранированными.

Соединение блоков с элементом межблочных соединений выполнено с помощью разъемов, а также может быть выполнено с помощью проводов. Соединение при помощи разъемов позволяет сократить временные и материальные затраты на сборку.

Корпус устройства выполнен герметичным. Такое выполнение вызвано необходимостью эксплуатации устройства в условиях атмосферных осадков, промышленной пыли и т.д.

Для удобства и визуального контроля устройство снабжено индикатором, предназначенным для отображения режима, в котором устройство регистрации и обработки акустико-эмиссионных сигналов в данный момент работает.

Устройство (2) снабжено параметрическими входами для подключения первичных измерительных преобразователей. Это позволяет наряду со съемом акустико-эмиссионных сигналов контролировать показания физических величин, таких как давление, температура, уровень жидкости, перемещение и т.д.

Для фиксации на обследуемом объекте устройство снабжено магнитным держателем, что облегчает установку и снятие устройства с объекта.

Устройство регистрации и обработки акустико-эмиссионных сигналов выполнено с возможностью программного выбора частотного диапазона и коэффициента усиления, что позволяет гибко и оперативно реагировать на различные условия контроля и акустическую обстановку на контролируемом объекте.

В предложенном изобретении выбор частотного диапазона производится при помощи аналогового фильтра. Для улучшения качества фильтрации устройство (2) может быть снабжено цифровым фильтром, расположенным в блоке цифровой обработки и передачи данных (7).

Для контроля качества установки преобразователей акустической эмиссии, определения скорости распространения и затухания акустической волны в контролируемом объекте, определения размеров зон локализации АЭ сигналов устройство снабжено излучателем импульсов с изменяемой амплитудой.

Устройство регистрации и обработки акустико-эмиссионных сигналов снабжено выходами управления внешними устройствами. Это необходимо для оперативного вмешательства (в процессе диагностирования промышленного объекта) в работу различных механизмов и агрегатов, которые влияют на технологические параметры (текущее состояние) контролируемого объекта.

Работа заявленной многоканальной акустико-эмиссионной системы и устройства регистрации и обработки акустико-эмиссионных сигналов осуществляется следующим образом.

Сигнал с преобразователя акустической эмиссии (1) поступает на вход блока предварительного усилителя (5), где он усиливается предварительным усилителем (10) до необходимого уровня.

Далее предварительно усиленный АЭ сигнал поступает в блок основного усилителя (6) на вход усилителя с программируемым коэффициентом усиления (12). В зависимости от установленного программно коэффициента усиления в усилителе (12) сигнал усиливается или ослабляется.

Затем при помощи фильтров верхних (ВЧ) и нижних (НЧ) частот (13) выбирается полоса пропускания сигнала. Выбор того или иного фильтра осуществляется программно.

После фильтрации сигнал поступает в согласующий усилитель (15), который служит для согласования блока основного усилителя и фильтрации (6) с аналого-цифровым преобразователем (16).

Устройство формирования управляющего напряжения (14), входящее в состав блока основного усилителя (6), позволяет изменять коэффициент усиления усилителя и задавать амплитуду импульсов калибровки для проверки работоспособности аппаратуры. С помощью излучателя импульсов (11), расположенного в блоке предусилителя (5), осуществляется проверка качества установки преобразователей акустической эмиссии и определяется скорость распространения и коэффициент затухания АЭ сигнала в контролируемом объекте и размеры зон локализации АЭ сигналов.

Из блока основного усилителя (6), а именно с выхода согласующего усилителя (15), сигнал поступает на блок цифровой обработки и передачи данных (7), где он подается на вход аналого-цифрового преобразователя (16), в котором происходит преобразование аналогового сигнала в цифровой код, и вся дальнейшая работа с АЭ сигналом производится уже в цифровом виде.

Оцифрованный АЭ сигнал с выхода АЦП (16) поступает на цифровой осциллограф (18) и устройство обработки данных (17), в котором осуществляется цифровая обработка первичных данных и происходит анализ (измерение и вычисление) акустико-эмиссионных параметров. Цифровая обработка первичных данных может включать в себя цифровую фильтрацию, дискретные преобразования сигнала, корреляционный анализ и т.д.

Современный уровень развития микрокомпьютерной техники позволил расширить понятие «цифровой осциллограф». На сегодняшний день возможно выполнение цифрового осциллографа в виде функционального блока, а на физическом уровне - в виде микропроцессорной платы.

Осциллограммы АЭ сигналов и вычисленные АЭ параметры поступают в устройство управления и коммуникации (22). В данном устройстве они упаковываются в так называемые информационные пакеты (кадры), в которых помимо АЭ параметров и осциллограмм содержится информация о номере и текущих настройках данного канала, и передаются через устройство ретрансляции и восстановления (24) в цифровой канал передачи данных.

Сформированные кадры передаются по цифровому каналу передачи данных от одного устройства регистрации и обработки акустико-эмиссионных сигналов (2) к другому, которые соединены в измерительную линию.

При передаче информации по любому высокоскоростному цифровому каналу передачи данных на большие расстояния по кабелю происходит искажение и затухание сигнала. Для решения данной проблемы заявленное устройство (2) снабжено устройством ретрансляции и восстановления (24). Пришедший кадр с информацией АЭ параметров от соседнего устройства проходит восстановление до своего первоначального вида и ретранслируется дальше по кабелю передачи данных к следующему устройству, и так до тех пор, пока кадр не дойдет до контроллера (3). В результате использования устройства ретрансляции и восстановления (24) длина измерительной линии превышает 1500 (тысяча пятьсот) метров, а двух измерительных линий - 3000 (три тысячи) метров, вследствие чего имеется возможность с помощью заявленной системы контролировать протяженные и крупногабаритные объекты.

Данные, полученные контроллером, направляются в электронно-вычислительную машину для дальнейшей обработки и отображения результатов на экране монитора. В предлагаемой системе ЭВМ позволяет сохранить полученные данные от устройств регистрации и обработки акустико-эмиссионных сигналов, выполнить математическую обработку данных, произвести вычисление спектров АЭ сигналов, выполнить локацию и определить координаты источников АЭ. Кроме того, контроллер передает команды управления, поступающие от ЭВМ, и обеспечивает синхронизацию устройств регистрации и обработки акустико-эмиссионных сигналов.

Поскольку для определения местоположения источников АЭ требуется точная регистрация времени прихода сигналов АЭ, особо важную роль при построении многоканальных АЭ систем играет синхронизация каналов этой системы между собой. Взаимодействие устройств регистрации и обработки акустико-эмиссионных сигналов с ЭВМ организовано таким образом, что устройства (2) передают цифровые пакеты данных в ответ на запросы, посылаемые ЭВМ через контроллер по очереди каждому устройству. Запросы содержат команды, предназначенные для исполнения конкретным устройством, и номер этого устройства. Кроме этого, контроллер добавляет к каждому запросу команду синхронизации для всех устройств. После прихода запроса с ЭВМ на устройство регистрации и обработки акустико-эмиссионных сигналов происходит одновременно передача цифрового пакета данных и ретрансляция этого запроса на следующее устройство. Детерменированность времени, затраченного на ретрансляцию запросов, содержащих команды синхронизации, и использование высокоточных кварцевых генераторов и быстродействующего АЦП АЭ канала позволяет добиться высокой точности синхронизации всех устройств. Ошибка синхронизации в предложенной системе составляет менее 1 мкс.

Использование в устройствах регистрации и обработки акустико-эмиссионных сигналов прецизионных усилителей, высокоточных быстродействующих линейных АЦП, а также большая вычислительная мощность каждого устройства позволяют проводить цифровую обработку АЭ сигналов и с высокой точностью вычислять АЭ параметры этих сигналов.

Помимо этого, реализованная таким образом схема взаимодействия устройств регистрации и обработки акустико-эмиссионных сигналов с ЭВМ позволяет добиться максимальной пропускной способности канала передачи данных и обеспечить высокое быстродействие системы, которое составляет более 1000 (тысячи) АЭ событий в секунду на каждый канал.

При поступлении от ЭВМ запроса, содержащего команду для конкретного устройства (2), происходит ее восстановление в устройстве ретрансляции и восстановления (24) до первоначального вида. После этого команда передается на устройство управления и коммуникации (22), где происходит определение типа данной команды. Затем эта команда передается либо на устройство формирования управляющего напряжения (14) для дальнейшего управления излучателем импульсов (11) (например, для установки амплитуды излучения) или для установки коэффициента усиления основного усилителя (12), либо на переключаемые фильтры верхних (ВЧ) и низких (НЧ) частот (13) для задания полосы пропускания.

Для отображения режима работы устройства регистрации и обработки акустико-эмиссионных сигналов (2) устройство управления и коммуникации (22) подает команды устройству индикации (23).

Также устройство управления и коммуникации (22) подает команды через выходы управления внешними устройствами (27) на выполнение необходимых действий различным механизмам и агрегатам, например жидкостному насосу - повысить (понизить) давление в диагностируемом резервуаре.

Дополнительно в устройство управления и коммуникации (22) поступают сигналы с АЦП (21) параметрического канала. На АЦП (21) параметрического канала подаются сигналы с трех внешних параметрических входов (20) и одного датчика температуры (19), расположенного внутри корпуса устройства (2). Внешние параметрические входы служат для измерения величины силы постоянного и переменного тока и напряжения, поступающих от первичных измерительных преобразователей физических величин, таких как датчики давления, датчики уровня, датчики перемещения и т.д.

Для контроля протяженных и крупногабаритных объектов требуется наличие большого количества каналов, объединенных в несколько измерительных линий. Каждая измерительная линия, в свою очередь, должна содержать несколько устройств регистрации и обработки акустико-эмиссионных сигналов (2). Причем чем протяженнее объект, тем больше длина отдельно взятой измерительной линии и тем больше устройств (2) на ней содержится. При увеличении количества устройств (2) на одной измерительной линии, несмотря на небольшое (низкое) потребление энергии каждым устройством, суммарное энергопотребление значительно увеличивается. Поскольку электропитание устройств регистрации и обработки акустико-эмиссионных сигналов в пределах одной измерительной линии осуществляется по кабелю передачи данных, то при увеличении суммарного энергопотребления возрастают токи и увеличиваются потери в кабеле, что влечет за собой необходимость увеличения толщины кабеля. Чтобы не допустить ухудшения потребительских свойств заявленной многоканальной АЭ системы из-за увеличения толщины кабеля передачи данных, было увеличено напряжение питания в измерительной линии, а устройство (2) было снабжено индивидуальным блоком питания (8), выполненным по импульсной схеме.

В блоке питания (8) происходит формирование независимых напряжений для питания аналоговой части (25), т.е. блока предусилителя (5) и блока основного усилителя (6), и для питания цифровой части, т.е. блока цифровой обработки (7). Использование в устройстве (2) импульсного блока питания с высоким коэффициентом полезного действия, операционных усилителей с малыми токами потребления и цифровых микросхем с низковольтным питанием позволило значительно снизить энергопотребление предложенного устройства регистрации и обработки акустико-эмиссионных сигналов.

Кроме того, блок питания (8) в устройстве (2) выполнен гальванически развязанным, что позволяет увеличить электробезопасность производимых работ и повысить помехозащищенность, т.к. использование гальванической развязки препятствует протеканию выравнивающих токов между корпусами устройств (2) и ЭВМ (4).

Таким образом, заявленная многоканальная акустико-эмиссионная система обладает высокими потребительскими свойствами и позволяет добиться повышения качества диагностирования промышленных объектов.

1. Многоканальная акустико-эмиссионная система для диагностики промышленных объектов, состоящая из n каналов, при этом каждый из каналов установлен непосредственно на диагностируемом объекте и содержит, по меньшей мере один преобразователь акустической эмиссии, соединенный с устройством регистрации и обработки акустико-эмиссионных сигналов, которое предназначено для цифровой обработки акустико-эмиссионных сигналов, определения акустико-эмиссионных параметров и последующей передачи данных по последовательному высокоскоростному цифровому каналу, отличающаяся тем, что устройство регистрации и обработки акустико-эмиссионных сигналов, включающее в себя осциллограф, выполнено с возможностью формирования информационных пакетов, содержащих вычисленные акустико-эмиссионные параметры и осциллограммы акустико-эмиссионных сигналов, причем устройства регистрации и обработки акустико-эмиссионных сигналов соединены между собой с возможностью ретрансляции и восстановления информационных пакетов, причем каналы образуют, по меньшей мере, одну измерительную линию, соединенную с ЭВМ посредством контроллера, выполненного с возможностью взаимодействия по меньшей мере, с одной измерительной линией.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что канал передачи данных выполнен с использованием проводной и/или беспроводной связи.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что каналы могут быть соединены последовательно и/или параллельно.

4. Система по п.1, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью управления от внешнего устройства по протоколу TCP/IP по проводной и/или беспроводной линии связи.

5. Система по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена блоком питания для обеспечения электропитанием устройств регистрации и обработки акустико-эмиссионных сигналов по кабелю передачи данных измерительной линии, и содержит устройство контроля электропитания измерительной линии.

6. Устройство регистрации и обработки акустико-эмиссионных сигналов, содержащее корпус, в котором расположены блок предусилителя, вход которого соединен с преобразователем акустической эмиссии, блок основного усилителя и блок цифровой обработки и передачи данных, отличающееся тем, что устройство снабжено блоком питания с гальванической развязкой, по меньшей мере один из блоков расположен в отдельном экранированном отсеке и/или выполнен экранированным, блок предусилителя, блок основного усилителя и блок питания расположены в одной части корпуса, а блок цифровой обработки и передачи данных расположен в другой части корпуса, при этом элемент межблочных соединений расположен между двумя частями корпуса с возможностью экранирования блоков, которые соединены между собой через элемент межблочных соединений.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что оно дополнительно оснащено по меньшей мере одним индикатором, и/или по меньшей мере одним параметрическим входом, и/или по меньшей мере одним выходом управления внешним устройством.

8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что оно снабжено излучателем импульсов с программно-изменяемой амплитудой.

9. Устройство по п.6, отличающееся тем, что оно выполнено с возможностью программного выбора частотного диапазона и коэффициента усиления.

10. Устройство по п.6, отличающееся тем, что блок цифровой обработки и передачи данных снабжен устройством обработки данных, выполненным с возможностью цифровой фильтрации и/или корреляционного анализа и определения акустико-эмиссионных параметров.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области сейсмической разведки, в частности, к устройствам для проведения сейсмических работ размерности 2D, 3D, 4D с помощью многоканальных телеметрических сейсмических станций.

Изобретение относится к техническим средствам охраны и может быть использовано для охраны участков местности и подступов к объектам. .

Изобретение относится к области геофизических методов исследований и предназначено для передачи данных от контрольно-измерительных приборов в скважине к наземной аппаратуре.

Изобретение относится к цифровой информационно-измерительной технике и может быть использовано в автоматизированных системах сбора геофизической информации, в частности в многоканальных цифровых телеметрических сейсморегистрирующих системах с проводной и беспроводной линией связи для отработки сейсмических профилей различными методами сейсморазведки.

Изобретение относится к области геофизических исследований скважин. .

Изобретение относится к системам сбора сейсмических данных с помощью сейсмоприемников. .

Изобретение относится к геофизическому приборостроению, представляет собой телеметрическую систему сбора сейсмических данных и предназначено для проведения полевых сейсморазведочных работ на нефть и газ.

Изобретение относится к экспериментальным исследованиям параметров сейсмовзрывных волн (ССВ) и предназначено для измерения массовой скорости движения грунта в зонах, прилегающих к воронке взрыва.

Изобретение относится к неразрушающему контролю материалов акустическими методами и может быть использовано для выявления дефектов и контроля герметичности резервуаров по сигналам акустической эмиссии (АЭ).

Изобретение относится к области машиностроения и может применяться для контроля уровня износа узлов трения в процессе эксплуатации машин и механизмов без их остановки и разборки.

Изобретение относится к средствам неразрушающего контроля и может быть использовано в составе автоматизированного акустико-эмиссионного комплекса в качестве регистрирующего устройства для измерения параметров акустической эмиссии.

Изобретение относится к области акустических методов контроля и прогноза характеристик механических свойств металлов. .

Изобретение относится к исследованию физико-механических свойств химических комплексных нитей технического и бытового назначения и может быть использовано в химической промышленности.

Изобретение относится к неразрушающему контролю конструкций с использованием метода акустической эмиссии. .

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к методикам обнаружения дефектов в трубопроводах. .

Изобретение относится к диагностированию оборудования и изделий химической, нефтехимической, энергетической, металлургической промышленности, транспорта при их эксплуатации и испытаниях на основе использования акустико-эмиссионного (АЭ) метода неразрушающего контроля и может быть использовано для определения расстояния между преобразователем акустической эмиссии (ПАЭ) и источником АЭ, которым является развивающийся дефект.

Изобретение относится к неразрушающему контролю и диагностике и может быть использовано для контроля и диагностики технического состояния резервуаров для хранения сжиженного газа в процессе эксплуатации по сигналам акустической эмиссии.

Изобретение относится к неразрушающим методам контроля строительных железобетонных конструкций. .

Изобретение относится к области неразрушающего контроля при проведении экспертизы промышленной безопасности оборудования МПС

Изобретение относится к области технической диагностики и неразрушающего контроля промышленных объектов с использованием метода акустической эмиссии

Наверх