Вибрационный способ диагностики начала процесса разрушения в элементах конструкции объекта и устройство для его осуществления

Использование: для диагностики начала процесса разрушения в элементах конструкции объекта. Сущность: заключается в том, что определяют место возможного разрушения элемента конструкции объекта на начальном этапе на основе знаний особенностей конструкции и опыта разрушений аналогичных конструкций, установливают датчик вибраций на месте возможного разрушения элемента диагностируемого объекта, создают вибрационные колебания в контролируемом элементе конструкции путем использования любого независимого источника вибрационных колебаний, который устанавливают на объекте в любом месте, при этом определяют исправность вибрационного датчика на основе анализа амплитуды вибрации и осуществляют индикацию исправности датчика, периодически через равные интервалы времени осуществляют измерение частот вибраций и их взаимный анализ, момент появления неравенства квалифицируют как начало процесса разрушения контролируемого элемента конструкции объекта и осуществляют индикацию момента возникновения трещины, определяют на основе динамики изменения разности частоты вибрации скорость развития трещины и ее индикацию. Технический результат: повышение достоверности и информативности в определении, как момента появления, так и динамики распространения трещины. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и технической диагностики.

Наиболее близким к изобретению является вибрационный способ диагностики начала процесса разрушения в элементах конструкции объекта, заключающийся в том, что с помощью датчиков вибраций, установленных на диагностируемом объекте, фиксируют изменение вибраций после появления трещин или иных нарушений сплошности материала элемента конструкции объекта, на начальном этапе определяют место возможного разрушения элемента конструкции объекта на основе знаний об особенностях конструкции, на основе опыта разрушений аналогичных конструкций, на основе инженерных расчетов, исследований, после чего на исправном объекте в месте возможного разрушения устанавливают два или более одинаковых датчиков вибраций, сигналы которых, возникающие в результате функционирования объекта или воздействия независимого источника вибраций, установленного на объекте, затем сравнивают между собой в любом порядке с помощью любых средств сравнения и, если при исправном состоянии контролируемого датчиками элемента конструкции средства сравнения выдадут информацию о равенстве сигналов датчиков, что квалифицируется как отсутствие признаков разрушения, объект включается в эксплуатацию, но если при исправном состоянии контролируемого датчиками элемента конструкции, сигналы от разных датчиков отличаются друг от друга настолько, что средства сравнения сигнализируют о наличии дисбаланса сравниваемых сигналов, выполняется балансировка сигналов датчиков, для чего сигнал каждого датчика с помощью любых средств умножают на свой весовой коэффициент, в результате чего выравнивают между собой сигналы датчиков и средства сравнения выдают информацию о равенстве сигналов датчиков, что квалифицируется как отсутствие признаков разрушения в контролируемой датчиками зоне, затем после выполнения балансировки объект включается в эксплуатацию и, если в процессе эксплуатации в контролируемой датчиками зоне возникают трещины в материале - предвестники разрушения, они меняют условия распространения вибрационных волн в зоне установки датчиков, что приводит к нарушению баланса сигналов датчиков и средства сравнения выдают информацию о неравенстве сигналов датчиков, что квалифицируется как начало процесса разрушения контролируемого элемента конструкции объекта, на основе практического опыта, инженерных расчетов, исследований устанавливают допустимое пороговое значение разности сравниваемых сигналов датчиков, превышение которого в процессе эксплуатации объекта квалифицируют как начало процесса разрушения, о чем выдается предупреждающий сигнал, при этом функции порогового элемента с регулируемым порогом, контролирующего превышение порогового значения разности сравниваемых сигналов датчиков, могут быть реализованы любыми средствами, из сигналов датчиков с помощью фильтров выделяются информативные частоты, которые содержат информацию об изменениях вибрационных колебаний, связанных с появлением трещин в зоне установки датчиков, и далее используют только эти составляющие сигналов датчиков для последующих этапов обработки, таких как балансировка, сравнение, сопоставление результатов сравнения с пороговой величиной, сигналы вибрационных датчиков с помощью аналого-цифровых преобразователей преобразуют в цифровую форму представления и всю дальнейшую обработку сигналов осуществляют на микроконтроллере или любом ином устройстве обработки цифровой информации программными средствами, включая выделение информативных частот из общих сигналов, балансировку, сравнение, сопоставление результатов сравнения с пороговой величиной и выдачу сигнала, предупреждающего о появлении трещин, если имело место превышение порога, что квалифицируют как начало процесса разрушения, для создания вибрационных колебаний в контролируемом элементе конструкции используют любой независимый источник вибрационных колебаний, который устанавливается на объекте в любом месте (Патент РФ на изобретение №2284518, кл. МПК G01N 29/04 (2006.01), G01M 7/00 (2006.01), опубликовано 27.09.2006).

Наиболее близким к изобретению является устройство диагностики начала процесса разрушения в элементах конструкции объекта, состоящее из двух вибрационных датчиков, аналого-цифровых преобразователей, микроконтроллера, независимого источника вибрационных колебаний, который устанавливается на объекте в любом месте, причем сигналы вибрационных датчиков с помощью аналого-цифровых преобразователей преобразуются в цифровую форму представления и вся дальнейшая обработка сигналов осуществляется на микроконтроллере программными средствами, включая выделение информативных частот, балансировку, сравнение сигналов, сопоставление результатов сравнения с пороговой величиной и выдачу на выходе сигнала, предупреждающего о появлении трещин, если имело место превышение пороговой величины (Патент РФ на изобретение №2284518, кл. МПК G01N 29/04 (2006.01), G01M 7/00 (2006.01), опубликовано 27.09.2006).

Недостатками данного способа и устройства являются отсутствие возможности проверки исправности вибрационного датчика и необходимость периодического выполнения балансировки выходных сигналов датчиков при исправном состоянии элемента конструкции, кроме того, не обеспечивается наблюдения за динамикой изменения величины трещины.

Необходимость выполнения балансировки выходных сигналов датчиков обусловлена следующими причинами. В общем случае объекты могут значительно отличаться друг от друга как по размерам, так и по сложности конструкции. Поэтому возможна ситуация, когда сигналы датчиков, установленных в зоне контроля, на исправных объектах будут отличаться друг от друга. Причиной могут быть особенности конструкции объекта, разница в размещении датчиков и множество других причин, даже таких как присутствие допустимых, в некоторых случаях, нарушений сплошности материала.

Чтобы исключить влияние таких причин, способных вызвать дисбаланс сигналов датчиков, но не имеющих отношения к началу процесса разрушения, и зафиксировать соотношение сигналов датчиков при исправном состоянии элемента конструкции выполняется балансировка сигналов датчиков. Для чего с целью выравнивания сигналов сигнал каждого датчика умножается на свой весовой коэффициент.

Для исключения процесса балансировки предлагается способ, основанный на временном анализе выходного сигнала датчика.

Цель изобретения - повышение достоверности и информативности в определении как момента появления, так и динамики распространения трещины за счет определения частот вибрации через равные промежутки времени и сравнения их между собой и определения динамики изменения разности частот вибрации относительно двух заданных значений.

Для достижения технического результата изобретения в вибрационном способе диагностики начала процесса разрушения в элементах конструкции объекта, заключающемся в определении места возможного разрушения на начальном этапе на основе знаний особенностей конструкции и опыта разрушений аналогичных конструкций, в установке датчика вибраций на месте возможного разрушения элемента диагностируемого объекта, создании вибрационных колебания в контролируемом элементе конструкции путем использования любого независимого источника вибрационных колебаний, который устанавливают на объекте в любом месте, дополнительно определяют исправность вибрационного датчика на основе анализа амплитуды вибрации и осуществляют индикацию исправности датчика, периодически через равные интервалы времени осуществляют измерение частот вибраций, и их взаимный анализ момент появления неравенства квалифицируется как начало процесса разрушения контролируемого элемента конструкции объекта, и осуществляют индикацию момента возникновения трещины, определяют на основе динамики изменения разности частот вибрации скорость развития трещины и ее индикацию.

Для осуществлении заявляемого способа в устройстве диагностики начала процесса разрушения в элементах конструкции объекта состоящем из исследуемой конструкции объекта, механически связанной с возбудителем колебаний и датчика вибрации, дополнительно введены блок обработки сигналов, индикатор исправности датчика, индикатор появления трещины, индикатор скорости изменения трещины, причем выходы датчика вибрации и возбудителя колебаний соединены соответственно с первым и вторым входами блока обработки сигналов, первый, второй, третий выходы которого соединены соответственно с входом индикатора исправности датчика вибрации, с входом индикатора появления трещины, с входом индикатора скорости изменения величины трещины.

Кроме того, блок обработки сигналов состоит из первого, второго, третьего пороговых устройств, первого, второго, третьего, четвертого элементов И, первого, второго, третьего и четвертого элемента И-НЕ, сдвигового регистра, генератора импульсов, первого, второго и третьего счетчиков, первого и второго вычитающих устройств, первой и второй дифференцирующих цепей, линии задержки, элемента ИЛИ, триггера, делителя, задатчика сигналов, кнопки «Обнуления», причем первый и второй входы блока обработки сигналов соединены соответственно с первым входом первого порогового устройства и через первый элемент И-НЕ со вторым входом первого элемента И, первый вход которого соединен с выходом первого порогового устройства, второй вход которого соединен с первым выходом задатчика сигналов, выход первого порогового устройства одновременно является первым выходом блока обработки сигналов, выход первого элемента И соединен с первым входом сдвигового регистра, второй вход которого соединен с выходом первой дифференцирующей цепи, выход которой одновременно соединен со вторыми входами первого, второго, третьего счетчиков и элемента ИЛИ, при нажатии кнопки «Обнуления» сигнал поступает на вход первой дифференцирующей цепи, первый, второй, третий и четвертый выходы сдвигового регистра соединены соответственно со вторым и, через второй элемент И-НЕ, первым входом второго элемента И, со вторым и через третий элемент И-НЕ первым входом третьего элемента И, генератор импульсов соединен с третьими входами второго, третьего и четвертого элементов И, выходы второго и третьего элемента И соединены соответственно через первый и второй счетчики с первым и вторым входами первого вычитающего устройства, выход которого одновременно является вторым выходом блока обработки информации и соединен с входом линии задержки и первыми входами второго и третьего пороговых устройств, вторые входы которых соединены соответственно со вторым и третьим выходами задатчика сигналов, выходы второго и третьего пороговых устройств соответственно через триггер и четвертый элемент И-НЕ соединены с первым и вторым входами четвертого элемента И, выход которого через третий счетчик соединен с первым входом делителя, второй вход которого соединен через второе вычитающее устройство со вторым и третьим выходами задатчика сигналов, выход линии задержки через вторую дифференцирующую цепь и первый вход элемента ИЛИ соединен со вторым входом триггера, выход делителя является третьим выходом блока обработки сигналов.

Кроме того, сигналы вибрационных датчиков с помощью аналого-цифровых преобразователей АЦП преобразуют в цифровую форму представления и всю дальнейшую обработку сигналов осуществляют на микроконтроллере или любом ином устройстве обработки цифровой информации программными средствами, включая формирование трех заданных сигналов, сравнение амплитуды вибрации с первым заданным значением и выдачу информации об исправности вибрационного датчика при превышении первого заданного значения, измерение частот вибрации через равные интервалы времени, сравнение частот вибраций между собой и в случае появления разностного сигнала, что квалифицируется как начало процесса разрушения, осуществление индикации о появлении трещины, оценивание динамики развития трещины на основе динамики изменения разности частоты вибраций ΔF относительно двух заданных значений.

Новыми признаками, обладающими существенными отличиями по способу, является следующая совокупность действий.

1. Определяют исправность вибрационного датчика на основе анализа амплитуды вибрации.

2. Осуществляют индикацию исправности датчика.

3. Осуществляют измерение частот вибрации периодически, через равные интервалы времени, и их сравнение между собой.

4. Определяют момент появления неравенства частот и квалифицируют это как начало процесса разрушения контролируемого элемента конструкции объекта.

5. Осуществляют индикацию момента возникновения трещины.

6. Определяют скорость развития трещины на основе динамики изменения частоты вибрации.

7. Осуществляют индикацию скорости развития трещины.

Существенными отличительными признаками по устройству является блок обработки сигналов и связи между известными и новыми элементами.

На фиг.1 показана структурная схема устройства, на фиг.2 - структурная схема блока обработки сигналов, на фиг.3 - алгоритм работы микропроцессора, на фиг.4 - алгоритм измерения частот вибраций.

Устройство диагностики начала процесса разрушения в элементах конструкции объекта состоит из исследуемой конструкции 1 объекта, механически связанного с возбудителем 2 колебаний датчика 3 вибрации, блока 4 обработки сигналов, индикатора 5 исправности датчика, индикатора 6 появления трещины, индикатора 7 скорости изменения трещины, причем выход датчика вибрации соединен с первым входом блока обработки сигналов, второй вход которого соединен с выходом возбудителя 2 колебаний, первый, второй, третий выходы блока 4 обработки сигналов соединены соответственно с входом индикатора 5 исправности датчика вибрации, с входом индикатора 6 появления трещины, с входом индикатора 7 скорости изменения величины трещины.

Блок 4 обработки сигналов состоит из первого 8, второго 9, третьего 10 пороговых устройств, первого 11, второго 12, третьего 13, четвертого 14 элементов И, первого 15, второго 16, третьего 17 и четвертого 18 элементов И-НЕ, сдвигового регистра 19, генератора 20 импульсов, первого 21, второго 22 и третьего 23 счетчиков, первого 24 и второго 25 вычитающих устройств, первой 26 и второй 27 дифференцирующих цепей, линии 28 задержки, элемента ИЛИ 29, триггера 30, делителя 31, задатчика 32 сигналов, кнопки 33 «Обнуления», причем первый и второй входы блока 4 обработки сигналов соединены соответственно с первым входом первого 8 порогового устройства и через первый 15 элемент И- НЕ со вторым входом первого 11 элемента И, первый вход которого соединен с выходом первого 8 порогового устройства, второй выход соединен с первым выходом задатчика 32 сигналов, выход первого 8 порогового устройства является первым выходом блока 4 обработки сигналов, выход первого 11 элемента И соединен с первым входом сдвигового регистра 19, второй вход которого соединен с выходом первого 26 дифференцирующего усилителя, выход которого одновременно соединен со вторыми входами первого 21, второго 22, третьего 23 счетчиков и элемента ИЛИ 29, первый, второй, третий и четвертый выходы сдвигового регистра 19 соединены соответственно со вторым и через второй 16 элемент И-НЕ с первым входом второго 12 элемента И, со вторым и через третий 17 элемент И-НЕ первыми входами третьего 13 элемента И, генератор 20 импульсов соединен с третьими входами второго 12, третьего 13 и четвертого 14 элементов И, выходы второго 12 и третьего 13 элементов И соединены соответственно через первый 21 и второй 22 счетчики с первым и вторым входами первого 24 вычитающего устройства, выход которого одновременно является вторым выходом блока 4 обработки информации и соединен с входом линии 28 задержки и первыми входами второго 9 и третьего 10 пороговых устройств, вторые входы которых соединены соответственно со вторым и третьим выходами задатчика 32 сигналов, выходы второго 9 и третьего 10 пороговых устройств соответственно через триггер 30 и четвертый 18 элемент И-НЕ соединены с первым и вторым входами четвертого 14 элемента И, выход которого через третий 23 счетчик соединен с первым входом делителя 31, второй вход которого соединен через второе 25 вычитающее устройство со вторым и третьим выходами задатчика 32 сигналов, выход линии 28 задержки через вторую 27 дифференцирующую цепь и первый вход элемента ИЛИ 29 соединен со вторым входом триггера 30, первый выход задатчика 32 сигналов через кнопку 33 «Обнуления» соединен с входом первой 26 дифференцирующей цепи, выход делителя 31 является третьим выходом блока 4 обработки сигналов.

Устройство работает следующим образом.

Сначала осуществляется подготовка устройства к работе, при нажатии кнопки 33 «Обнуления» сигнал поступает на вход первой 26 дифференцирующей цепи, с выхода которой сигнал обнуления поступает одновременно на вторые входы сдвигового регистра 19, первого 21, второго 22, третьего 23 счетчиков и элемента ИЛИ 29, с выхода которого поступает на второй вход триггера 30 (фиг.2).

Под действием возбудителя 2 колебаний на исследуемой конструкции 1 объекта возникают вибрационные колебания, которые с датчика 3 вибрации поступают на первый вход блока 4 обработки сигналов, на второй вход которого поступает сигнал с выхода возбудителя 2 колебаний (фиг.1).

Сигналы через первый и второй входы блока 4 обработки сигналов поступают соответственно на первый вход первого 8 порогового устройства и через первый 15 элемент И- НЕ на второй вход первого 11 элемента И, на первый вход которого поступают сигналы с выхода первого 8 порогового устройства в случае превышения уровня сигнала, поступающего на второй вход с первого выхода задатчика 32 сигналов.

Сигнал с выхода первого 8 порогового устройства, который является первым выходом блока 4 обработки сигналов, поступает на индикатор 5 исправности датчика.

С выхода первого 11 элемента И сигнал поступает на первый вход сдвигового регистра 19. Сдвиговый регистр 19 обеспечивает измерение частоты вибрации через равные промежутки времени.

Это осуществляется следующим образом.

Сигналы с первого, второго выходов сдвигового регистра 19 поступают на первый и второй выходы второго 12 элемента И через второй 16 элемент И-НЕ и непосредственно, тем самым обеспечивая поступления импульсов с генератора 20 через третий вход элемента И 12 вход счетчика 21 обеспечивая измерения частоты вибрации в первый промежуток времени.

Во второй промежуток времени, в момент поступления сигналов с третьего входа сдвигового регистра 19, сигналы поступают на второй вход третьего 13 элемента И, на первый вход которого поступает сигнал с выхода элемента И-НЕ 17, обеспечивая поступление сигналов с генератора 20 импульсов на вход второго счетчика и измерение частоты вибрации во второй промежуток времени.

На основе сравнения измеренных частот вибраций в первый и второй промежуток времени осуществляется определение момента возникновения трещины.

Сигналы с выходов первого 21 и второго 22 счетчиков поступают на первый и второй входы первого 24 вычитающего устройства.

В случае неравенства частот вибрации сигнал с выхода первого 24 вычитающего устройства поступает на вход индикатора 6 наличия трещины.

Для определения динамики развития трещины сигнал с выхода первого 24 вычитающего устройства поступает также на вход линии 28 задержки и первые входы второго 9 и третьего 10 пороговых устройств, на вторые входы которых поступают сигналы соответственно со второго и третьего выходов задатчика 32 сигналов.

В случае превышения уровня вибраций двух заданных значений сигналы с выхода второго 9 и третьего 10 пороговых устройств соответственно через триггер 30 и четвертый 18 элемент И-НЕ поступают на первый и второй входы четвертого 14 элемента И, через третий вход которого поступают импульсы с генератора 20 на третий 23 счетчик, с выхода которого сигнал, пропорциональный временному интервалу изменения частот вибраций, поступает на первый вход делителя 31, на второй вход которого поступают сигналы через второе 25 вычитающее устройство, которое связано со вторым и третьим выходами задатчика 32 сигналов, с выхода которого сигнал, поступает на индикатор 7 скорости изменения трещин.

Для осуществления наблюдения за процессом развития трещины в устройстве предусмотрено периодическое обнуления триггера 30 через линию 28 задержки через вторую 27 дифференцирующую цепь и первый вход элемента ИЛИ 29 (фиг.2.).

Сигналы с выхода вибрационного датчика как в прототипе можно преобразовать с помощью аналого-цифровых преобразователей в цифровую форму представления и вся дальнейшая обработка сигналов осуществляется на микропроцессоре программными средствами в соответствии с представленным алгоритмами обработки сигналов (фиг.3, фиг.4).

Таким образом, предлагаемые способ и устройство позволяют оценить работоспособность датчика, достоверно определить момент появления трещины и динамику изменения величины трещины.

Источник информации

Патент РФ на изобретение №2284518, кл. МПК G01N 29/04 (2006.01), G01M 7/00 (2006.01), опубл. 27.09.2006 (прототип).

1. Вибрационный способ диагностики начала процесса разрушения в элементах конструкции объекта, заключающийся в определении места возможного разрушения элемента конструкции объекта на начальном этапе на основе знаний особенностей конструкции и опыта разрушений аналогичных конструкций, установлении датчика вибраций на месте возможного разрушения элемента диагностируемого объекта, создании вибрационных колебаний в контролируемом элементе конструкции путем использования любого независимого источника вибрационных колебаний, который устанавливают на объекте в любом месте, отличающийся тем, что определяют исправность вибрационного датчика на основе анализа амплитуды вибрации и осуществляют индикацию исправности датчика, периодически через равные интервалы времени осуществляют измерение частот вибраций и их взаимный анализ, момент появления неравенства квалифицируют как начало процесса разрушения контролируемого элемента конструкции объекта и осуществляют индикацию момента возникновения трещины, определяют на основе динамики изменения разности частоты вибрации скорость развития трещины и ее индикацию.

2. Устройство диагностики начала процесса разрушения в элементах конструкции объекта, состоящее из исследуемой конструкции объекта, механически связанной с возбудителем колебаний, и датчика вибрации, отличающееся тем, что дополнительно введены блок обработки сигналов, индикатор исправности датчика, индикатор появления трещины, индикатор скорости изменения трещины, причем выходы датчика вибрации и возбудителя колебаний соединены соответственно с первым и вторым входами блока обработки сигналов, первый, второй, третий выходы которого соединены соответственно с входом индикатора исправности датчика вибрации, с входом индикатора появления трещины, с входом индикатора скорости изменения величины трещины.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что блок обработки сигналов состоит из первого, второго, третьего пороговых устройств, первого, второго, третьего, четвертого элементов И, первого, второго, третьего и четвертого элемента И-НЕ, сдвигового регистра, генератора импульсов, первого, второго и третьего счетчиков, первого и второго вычитающих устройств, первой и второй дифференцирующих цепей, линии задержки, элемента ИЛИ, триггера, делителя, задатчика сигналов, кнопки "Обнуления", причем первый и второй входы блока обработки сигналов соединены соответственно с первым входом первого порогового устройства и через первый элемент И-НЕ со вторым входом первого элемента И, первый вход которого соединен с выходом первого порогового устройства, второй вход которого соединен с первым выходом задатчика сигналов, выход первого порогового устройства одновременно является первым выходом блока обработки сигналов, выход первого элемента И соединен с первым входом сдвигового регистра, второй вход которого соединен с выходом первой дифференцирующей цепи, выход которой одновременно соединен со вторыми входами первого, второго, третьего счетчиков и элемента ИЛИ, при нажатии кнопки "Обнуления" сигнал поступает на вход первой дифференцирующей цепи, первый, второй, третий и четвертый выходы сдвигового регистра соединены соответственно со вторым и через второй элемент И-НЕ первым входом второго элемента И, со вторым и через третий элемент И-НЕ первым входом третьего элемента И, генератор импульсов соединен с третьими входами второго, третьего и четвертого элементов И, выходы второго и третьего элемента И соединены соответственно через первый и второй счетчики с первым и вторым входами первого вычитающего устройства, выход которого одновременно является вторым выходом блока обработки информации и соединен с входом линии задержки и первыми входами второго и третьего пороговых устройств, вторые входы которых соединены соответственно со вторым и третьим выходами задатчика сигналов, выходы второго и третьего пороговых устройств соответственно через триггер и четвертый элемент И-НЕ соединены с первым и вторым входами четвертого элемента И, выход которого через третий счетчик соединен с первым входом делителя, второй вход которого соединен через второе вычитающее устройство со вторым и третьим выходами задатчика сигналов, выход линии задержки через вторую дифференцирующую цепь и первый вход элемента ИЛИ соединен со вторым входом триггера, выход делителя является третьим выходом блока обработки сигналов.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что сигналы вибрационных датчиков с помощью аналого-цифровых преобразователей АЦП преобразуют в цифровую форму представления и всю дальнейшую обработку сигналов осуществляют на микроконтроллере или любом ином устройстве обработки цифровой информации программными средствами, включая формирование трех заданных сигналов, сравнение амплитуды вибрации с первым заданным значением и выдачу информации об исправности вибрационного датчика при превышении первого заданного значения, измерение частот вибрации через равные интервалы времени, сравнение частот вибраций между собой, и в случае появления разностного сигнала, что квалифицируется как начало процесса разрушения, осуществление индикации о появлении трещины, оценивание динамики развития трещины на основе динамики изменения разности чатоты вибраций ΔF относительно двух заданных значений.