Способ акустико-эмиссионного контроля качества сварных стыков рельсов и устройство для его осуществления

Авторы патента:

Степанова Людмила Николаевна (RU)

Кабанов Сергей Иванович (RU)

Манаков Алексей Леонидович (RU)

Канифадин Кирилл Владимирович (RU)

Лебедев Евгений Юрьевич (RU)

G01N29/14 - с использованием акустической эмиссии (G01N 29/06 имеет преимущество)

Владельцы патента RU 2528586:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский государственный университет путей сообщения" (СГУПС) (RU)

Использование: для акустико-эмиссионного контроля качества сварных стыков рельсов. Сущность изобретения заключается в том, что производят сварку стыка, обрубку грата, регистрируют сигналы акустической эмиссии при остывании сварного шва, измеряют скорость счета сигналов акустической эмиссии, разбивают время контроля на интервалы, по превышению скорости счета сигналов акустической эмиссии порогового значения хотя бы в одном из интервалов судят о качестве сварного шва, при этом дополнительно определяют медиану энергии сигналов акустической эмиссии, задают пороговые величины по средним значениям скорости счета и медианы энергии локализованных сигналов акустической эмиссии в двух равных интервалах времени при остывании сварного шва и при превышении скорости счета и медианы энергии сигналов их пороговых значений на любом из интервалов сварной стык бракуют. Технический результат: повышение достоверности контроля дефектов во время остывания сварного стыка железнодорожных рельсов. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к неразрушающему контролю и технической диагностике качества сварных стыков железнодорожных рельсов акустико-эмиссионным методом и может быть использовано для контроля в процессе сварки рельсов.

Известен способ обнаружения в процессе сварки дефектов в сварных швах и определения их местоположения по акустическим сигналам, включающий прием возникающих в зоне сварки и остывания акустических сигналов размещенными на свариваемой конструкции вдоль сварного шва широкополосными акустическими преобразователями, их фильтрацию по величине заданной пиковой амплитуды, аналого-цифровое преобразование, регистрацию времен прихода сигналов акустической эмиссии на акустические преобразователи, вычисление координат источников акустических сигналов, по результатам акустико-эмиссионного контроля строят картину локализации в зоне сварки и остывания, после анализа которой судят о качестве сварного шва и о степени опасности обнаруженных в нем дефектов. Кроме того, в процессе регистрации сигналов дополнительно определяют огибающую переднего фронта акустических сигналов, задают пороговые величины выше уровня шумов, не выше максимального значения быстрой моды и ниже максимального значения медленной моды, локализуют эти сигналы в процессе сварки и остывания, сравнивают полученные распределения суммарного счета сигналов вдоль сварного шва с теоретическим равномерным распределением суммарного счета, выделяют участки сварного шва с наибольшим отклонением экспериментального распределения суммарного счета сигналов акустической эмиссии от теоретического, и на этих участках производят кластеризацию сигналов по скорости нарастания переднего фронта между пороговыми уровнями и при превышении установленного критического числа сигналов, попавших в один кластер, судят о наличии дефекта (Патент РФ №2424510, МПК G01N 29/14, БИ №2, 2011 г, приоритет от 14.07.2009 г.), принятый за аналог.

Недостатком данного способа является то, что его сложно использовать при контроле качества сварных стыков рельсов, поскольку рельс является протяженным объектом и при этом кластеризация не может использоваться. При кластеризации основным критерием браковки сигналов являются координаты точки локализации, а для рельсов локализация будет линейной, т.е. точки локализации будут только по оси Х. Однако при кластеризации для определения погрешностей точек локализации необходимо использовать плоскостную локацию по осям Х, Y. Кроме того, рельсовая плеть является протяженным и массивным объектом, поэтому разделение сигналов акустической эмиссии на быструю и медленную моды затруднено.

Известно многоканальное акустико-эмиссионное устройство для контроля качества сварного шва в процессе сварки, состоящее из К каналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных акустического преобразователя, предварительного усилителя, фильтра, основного усилителя, аналого-цифрового преобразователя, выход которого цифровой шиной соединен с входом оперативного запоминающего устройства, выход которого двунаправленной шиной соединен с входом устройства управления, выход которого двунаправленной шиной соединен с шиной компьютера, которая, в свою очередь, соединена с центральным процессором. Кроме того, согласно описанию, в каждый канал дополнительно введены цифроаналоговый преобразователь, аналоговый компаратор, оперативное запоминающее устройство кода диапазонов, а также n узкополосных фильтров, n аналоговых интеграторов, n аналого-цифровых преобразователей сигналов частотных диапазонов, при этом выход основного усилителя соединен с неинвертирующим входом аналогового компаратора, инвертирующий вход которого соединен с выходом цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с первым выходом устройства управления каналом, а выход аналогового компаратора соединен с первым входом устройства управления каналом, второй выход которого соединен с первым входом оперативного запоминающего устройства кода диапазонов, третий выход устройства управления каналом двунаправленной шиной соединен с вторым входом оперативного запоминающего устройства кода диапазонов, а выход основного усилителя соединен с входами (1…n) параллельных цепей, состоящих из последовательно соединенных узкополосного фильтра, первым входом аналогового интегратора, аналого-цифрового преобразователя частотных диапазонов, выходы которых цифровой шиной соединены с третьим входом оперативного запоминающего устройства кода диапазонов, а четвертый выход устройства управления каналом соединен со вторым входом аналогового интегратора (Патент РФ №2379677, G01N 29/14, приоритет от 17.07.2008 г., опубл. 20.01.2010 г. Бюл. №2.), принятое за аналог.

К недостаткам данного устройства следует отнести отсутствие автоматической калибровки, что не позволяет определять скорость звука. Это отражается на снижении точности определения координат дефектов (Степанова Л.Н, Рамазанов И.С., Кабанов С.И. и др. Локализация сигналов акустической эмиссии с учетом погрешностей измерения скорости звука и времен их прихода на датчики пьезоантенны // Контроль. Диагностика, 2008. №10. с.60-64). Кроме того, в устройстве отсутствует регулировка коэффициента основного усилителя канала, что не позволяет подстраивать чувствительность измерительных каналов. Поскольку развивающиеся дефекты сварки характеризуются высоким уровнем энергии, то в качестве основного параметра браковки выбрана медиана энергии, так как она наиболее устойчива к разбросу результатов измерений. Поэтому в устройстве, принятом за прототип, разброс по чувствительности каналов большой, а следовательно, по оценке медианы энергии разброс также будет большим (Степанова Л.Н., Рамазанов И.С., Канифадин К.В. Определение опасных источников сигналов акустической эмиссии по оценке энергии кластеров // Дефектоскопия. - 2010. - №9, - с.64-73).

Наиболее близким к данному способу является способ контроля качества сварных стыков рельсов, заключающийся в том, что производят сварку стыка, обрубку грата, регистрируют сигналы акустической эмиссии при остывании сварного шва, измеряют скорость счета сигналов акустической эмиссии и по ее значению судят о качестве сварного шва. Кроме того, разбивают время контроля на интервалы, в каждом из которых температура шва уменьшается на 10% от максимальной температуры в момент обрубки грата, а сварной стык бракуют по превышению скорости счета сигналов акустической эмиссии порогового значения хотя бы в одном из интервалов (Авторское свидетельство №1629837, МПК 5, G01N 29/14. Способ контроля качества сварных стыков рельсов / В.И.Урбах, Б.М.Медведев, А.Л.Брагинский и др. - Опубл. 23.02.1991 г., Бюл. №7), принятый за прототип.

Недостатком данного способа является то, что в процессе сварки железнодорожных рельсов возникают сигналы акустической эмиссии с большим уровнем шумов и высокой температурой зоны контроля. Причем, 95% от всего объема зарегистрированных акустических сигналов составляют паразитные сигналы (шумы и помехи). Сигналы от дефектов имеют более низкий уровень, чем помехи и шумы, сопровождающие сварку и остывание сварных стыков рельсов, поэтому пороги селекции у системы необходимо делать высокими, так как в противном случае акустико-эмиссионная система перейдет в режим насыщения. Однако это приводит к пропуску сигналов от дефектов. В способе, принятом за прототип, нет калибровки, что не позволяет определять скорость звука. Это отражается на снижении точности определения координат дефектов. В способе, принятом за прототип, установка преобразователей акустической эмиссии осуществляется через волновод, что снижает их чувствительность и уменьшает возможность регистрации дефектов (трещин, непроваров и т.д.) на микроуровне (Белов В.М., Дробот Ю.Б., Дроздов А.П. и др. Обнаружение трещинообразования в сварном шве с помощью акустической эмиссии // Дефектоскопия, 1974, №4, с.29-33). Кроме того, в данном способе в качестве основного информативного параметра используется скорость счета сигналов акустической эмиссии, зависящая от многих параметров (например, от марки стали, из которой изготовлены рельсы, характера дефекта (трещина, непровар, раковина и т.д.). В результате достоверность контроля при сварке стыков рельсов при использовании данного способа невысокая.

Наиболее близким по технической сущности является многоканальное акустико-эмиссионное устройство для диагностики конструкций, состоящее из 1…n блоков, каждый из которых содержит четыре измерительных канала, состоящих из последовательно соединенных акустического преобразователя, предварительного усилителя, фильтра, программируемого основного усилителя, аналого-цифрового преобразователя, а также содержит генератор калибровочных импульсов и последовательно соединенные оперативное запоминающее устройство, устройство управления, выход которого соединен с шиной компьютера, которая, в свою очередь соединена с центральным процессором компьютера, два ключа, причем первый вход первого ключа соединен с выходом акустического преобразователя, а второй вход первого ключа соединен со вторым входом второго ключа и входом двухпозиционного ключа, первый вход второго ключа соединен с выходом предварительного усилителя, с выхода предварительного усилителя через замкнутые второй и двухпозиционный ключи сигналы акустической эмиссии поступают на вход фильтра, при этом первый выход двухпозиционного ключа соединен с последовательно соединенными фильтром, программируемым основным усилителем, аналого-цифровым преобразователем, выход которого соединен со входом цифрового мультиплексора, а второй выход двухпозиционного ключа соединен с выходом генератора калибровочных импульсов, вход которого соединен с первым выходом устройства управления. Кроме того, выход программируемого усилителя соединен с узкополосным перестраиваемым фильтром, выход которого соединен со входом компаратора, выход которого соединен с соответствующим входом счетчика времени прихода, выход которого двунаправленной шиной соединен со вторым входом устройства управления, а управляющие входы двухпозиционных ключей объединены и соединены с третьим управляющим входом устройства управления, а управляющие входы программируемых усилителей объединены и соединены с четвертым входом устройства управления (Патент РФ №2296320, G01N 29/04, приоритет от 7.09.2005 г., Бюл. №9, 2007 г.), принятое за прототип.

К числу недостатков данного устройства относятся:

- в устройстве, принятом за прототип, время прихода сигнала акустической эмиссии определяется по срабатыванию цифрового компаратора. Поскольку в данном устройстве в каждом канале отсутствуют фильтры высоких частот, то срабатывание цифрового компаратора происходит по быстрой моде. Это приводит к значительной погрешности при определении координат дефектов.

Кроме того, в устройстве, принятом за прототип, отсутствует регулировка коэффициента усиления основного усилителя, что не позволяет подстраивать чувствительность измерительных каналов. Поэтому в таком устройстве разброс по оценке медианы энергии будет большой.

При разработке заявляемого способа акустико-эмиссионного контроля качества сварных стыков рельсов была поставлена задача повышения достоверности контроля дефектов во время остывания сварного стыка железнодорожных рельсов за счет анализа распределения информативных параметров сигналов акустической эмиссии (суммарный счет, медиана энергии) в реальном времени. При превышении суммарного счета и медианы энергии установленных пороговых значений сварной шов бракуется.

Поставленная задача решается за счет того, что в предлагаемом способе акустико-эмиссионного контроля качества сварных стыков рельсов, заключающемся в том, что производят сварку стыка, обрубку грата, регистрируют сигналы акустической эмиссии при остывании сварного шва, измеряют скорость счета сигналов акустической эмиссии, разбивают время контроля на интервалы, по превышению скорости счета сигналов акустической эмиссии порогового значения хотя бы в одном из интервалов судят о качестве сварного шва. Кроме того, дополнительно определяют медиану энергии сигналов акустической эмиссии, задают пороговые величины по средним значениям скорости счета и медианы энергии локализованных сигналов акустической эмиссии в двух равных интервалах времени при остывании сварного шва и при превышении скорости счета и медианы энергии сигналов их пороговых значений на любом из интервалов сварной стык бракуют.

Поставленная задача решается также за счет того, что многоканальное акустико-эмиссионное устройство для контроля качества сварных стыков рельсов, состоящее из двух каналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных акустического преобразователя, предварительного усилителя, полосового фильтра, основного управляемого усилителя, а также аналого-цифрового преобразователя, генератора калибровочных импульсов, цифроаналогового преобразователя, компаратора, центрального процессора компьютера, двух ключей, причем первый вход первого ключа соединен с выходом акустического преобразователя, а второй вход первого ключа соединен со вторым входом второго ключа и входом двухпозиционного ключа, первый вход второго ключа соединен с выходом предварительного усилителя, при этом первый выход двухпозиционного ключа соединен с последовательно соединенными фильтром, программируемым основным усилителем, а второй выход двухпозиционного ключа соединен с выходом генератора калибровочных импульсов. Кроме того, в каждый канал дополнительно введены интегратор, регистр энергии сигнала, счетчик разности времен прихода, микропроцессор управления устройством, шина USB, обмотка реле ключа, причем, вход генератора калибровочных импульсов соединен с первым выходом микропроцессора управления, выход основного усилителя подключен к интегратору и неинвертирующему входу компаратора, инвертирующий вход которого соединен с выходом цифроаналогового преобразователя, входы цифроаналоговых преобразователей первого и второго каналов подключены к второму и третьему выходам микропроцессора управления, выход компаратора первого канала подключен к первому входу счетчика разности времен прихода и первому входу микропроцессора управления, выход компаратора второго канала подключен ко второму входу счетчика разности времен прихода и второму входу микропроцессора управления, а выход счетчика разности времен прихода цифровой шиной соединен с третьим входом микропроцессора управления, а выходы интеграторов каждого канала соединены с входами аналого-цифровых преобразователей, выходы которых цифровыми шинами соединены с входами регистров энергии сигнала первого и второго каналов, выходы которых соединены с четвертым и пятым входами микропроцессора управления, четвертый и пятый выходы микропроцессора управления соединены с управляющими входами основных усилителей первого и второго каналов, шестой и седьмой выходы микропроцессора управления соединены с управляющими входами интегратора и аналого-цифрового преобразователя каждого канала, а восьмой и девятый выходы микропроцессора управления соединены с управляющими ключами двухпозиционных переключателей первого и второго каналов, а десятый выход микропроцессора управления шиной USB соединен с входом центрального процессора, а выход центрального процессора компьютера соединен с шестым входом микропроцессора управления.

На фиг.1 приведена функциональная схема устройства, реализующего способ акустико-эмиссионного контроля качества сварных стыков рельсов. На фиг.2 изображен участок акустико-эмиссионного контроля качества сварных стыков рельсов.

Устройство, реализующее способ акустико-эмиссионного контроля качества сварных стыков рельсов (фиг.1), содержит:

1 - акустический преобразователь;

2 - предварительный усилитель;

3 - полосовой фильтр;

4 - управляемый основной усилитель;

5 - аналого-цифровой преобразователь энергии сигнала;

6 - генератор калибровочных импульсов;

7 - цифроаналоговый преобразователь;

8 - компаратор;

9 - центральный процессор компьютера;

10, 11 - контакты реле ключей предварительного усилителя;

12 - двухпозиционный переключатель;

13 - аналоговый интегратор;

14 - регистр энергии сигнала;

15 - счетчик разности времен прихода;

16 - микропроцессор управления устройством;

17 - шина USB;

18 - обмотка реле двухпозиционного ключа;

19 - участок рельса;

20 - стык рельса;

21 - диагностическая акустико-эмиссионная система.

Практическое исполнение предлагаемого устройства, реализующего способ акустико-эмиссионного контроля качества сварных стыков рельсов, выполняется по известным схемам с использованием следующих компонентов:

1. Компаратор выполнен на микросхеме компаратора LM311.

2. Полосовые фильтры выполнены по двухзвенной схеме активных фильтров второго порядка на операционных усилителях МС 33282 фирмы «Моtorolla». Пример реализации приведен в книге (Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах - Л.: Энергоатомиздат, 1988, с.105, рис.3.8,б).

3. Цифроаналоговый преобразователь реализован на микросхеме AD 7943.

4. Микропроцессор управления акустико-эмиссионной системой реализован на микросхеме АТ89С5131 фирмы «Atmel».

5. Генератор калибровочных импульсов выполнен по схеме одновибратора, пример реализации приведен в книге (Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах- Л.: Энергоатомиздат, 1988, с.159, рис.5,10,а).

6. Нормирующий усилитель собран на операционном усилителе AD8138, на операционном усилителе МС 33282, на цифроаналоговом преобразователе AD7943. Пример реализации приведен в книге (Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах - Л.: Энергоатомиздат, 1988, с.235, рис.9.4,б).

7. Аналого-цифровой преобразователь энергии сигнала выполнен на микросхеме AD7495.

8. Счетчик разности времен прихода и регистр энергии сигнала собраны на микросхеме EPM719SQC160.

9. Интеграторы выполнены по схеме интегрирующих усилителей на операционных усилителях МС 33272. Пример реализации приведен в книге ((Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах - Л.: Энергоатомиздат, 1988, с.94, рис.3.4,а).

Информация об основных характеристиках микросхем изложена в следующих источниках:

1. ПЛИС фирма ALTERA: проектирование устройства обработки сигналов - М.: ДОДЭКА, 2000, с.18.

2. Интернет-сайты фирмы Texas Instruments - www.ti.com, фирмы Motorolla-www.moto.com, фирмы Altera - www.altera.com, фирмы Atmel - www.atmel.com, фирмы Analog Devices - www.analog.com.

3. Микросхемы для аналого-цифрового преобразования и средств мультимедиа. - М.: ДОДЭКА, 1996, вып.1. с.214.

Многоканальное акустико-эмиссионное устройство (фиг.1) для контроля качества сварных стыков рельсов, состоящее из двух каналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных акустического преобразователя 1, предварительного усилителя 2, полосового фильтра 3, основного управляемого усилителя 4, а также аналого-цифрового преобразователя 5, генератора калибровочных импульсов 6, цифроаналогового преобразователя 7, компаратора 8, центрального процессора компьютера 9, двух ключей 10, 11, причем первый вход первого ключа 10 соединен с выходом акустического преобразователя 1, а второй вход первого ключа 10 соединен со вторым входом второго ключа 11 и входом двухпозиционного переключателя 12, первый вход второго ключа 11 соединен с выходом предварительного усилителя 2, при этом первый выход двухпозиционного переключателя 12 соединен с последовательно соединенными фильтром 3, программируемым основным усилителем 4, а второй выход соединен с выходом генератора калибровочных импульсов 6. Кроме того, в каждый канал дополнительно введены интегратор 13, регистр энергии сигнала 14, счетчик разности времен прихода 15, микропроцессор управления устройством 16, шина USB 17, обмотка реле двухпозиционного переключателя 18, причем, вход генератора калибровочных импульсов 6 соединен с первым выходом микропроцессора управления 16, выход основного усилителя 4 подключен к интегратору 13 и неинвертирующему входу компаратора 8, инвертирующий вход которого соединен с выходом цифроаналогового преобразователя 7, входы первого и второго каналов которого подключены к второму и третьему выходам микропроцессора управления 16, выход компаратора 8 первого канала подключен к первому входу счетчика разности времен прихода 15 и первому входу микропроцессора управления 16, выход компаратора 8 второго канала подключен ко второму входу счетчика разности времен прихода 15 и второму входу микропроцессора управления 16, при этом выход счетчика разности времен прихода 15 цифровой шиной соединен с третьим входом микропроцессора управления 16, а выходы интеграторов 13 каждого канала соединены с входами аналого-цифровых преобразователей 5, выходы которых цифровыми шинами соединены с входами регистров энергии 14 сигнала первого и второго каналов, выходы которых соединены с четвертым и пятым входами микропроцессора управления 16, четвертый и пятый выходы микропроцессора управления 16 соединены с управляющими входами основных усилителей 4 первого и второго каналов, шестой и седьмой выходы микропроцессора управления 16 соединены с управляющими входами интегратора 13 и аналого-цифрового преобразователя 5 каждого канала, а восьмой и девятый выходы микропроцессора управления 16 соединены с управляющими ключами двухпозиционных переключателей 12 первого и второго каналов, а десятый выход микропроцессора управления 16 шиной USB 17 соединен с входом центрального процессора 9, а его выход соединен с шестым входом микропроцессора управления 16.

Предложенное устройство работает следующим образом.

Устройство для контроля качества сварных стыков рельсов может работать в двух основных режимах: режиме калибровки и в режиме приема электрических сигналов с акустических преобразователей 1. Показанное на фиг.1 положение ключей двухпозиционных переключателей 12 определяет режим приема сигналов с акустических преобразователей 1. Перед началом акустико-эмиссионного контроля сварки рельсов проводится калибровка устройства. Для этого сначала первый канал устройства переводится в режим калибровки. При этом второй канал устройства работает в режиме приема, а затем производится изменение режимов работы каналов и второй канал работает в режиме излучения, а первый канал - в режиме приема. Перед началом работы устанавливаются пороговые уровни селекции каналов устройства выше уровней шумов. Для этого центральный процессор 9 через шину USB 17 подает в микропроцессор 16 управления устройством команду установки порогов селекции. Микропроцессор 16 управления устройством по последовательным линиям формирует код управления цифроаналоговым преобразователем 7, который выставляет соответствующее коду напряжение на инвертирующем входе компаратора 8.

При работе устройства в режиме калибровки центральный процессор компьютера 9 через шину USB 17 подает в микропроцессор 16 управления устройством команду, по которой он формирует сигнал управления ключами двухпозиционного переключателя 12 выбранного канала. По этой команде ключ 12 подключает данный канал к выходу генератора калибровочных импульсов 6. С линии подключения предварительного усилителя 2 снимается напряжение питания, обмотка реле 18 ключа соответствующего канала обесточивается и контакты реле ключей 10, 11 переключаются в режим калибровки. При этом ключ 10 замкнут, а ключ 11 разомкнут.

Затем центральный процессор 9 через шину USB 17 подает в микропроцессор 16 управления устройством команду, по которой он формирует сигнал запуска генератора калибровочных импульсов 6. В свою очередь, генератор калибровочных импульсов 6 формирует высоковольтный импульс напряжения, поступающий на акустический преобразователь 1 выбранного канала через замкнутые ключи 12 и 10. Акустический преобразователь 1 выбранного канала переводится в режим излучения и излучает акустический сигнал, распространяющийся по участку рельса 19. При этом акустический преобразователь 1 канала, работающего в режиме приема, преобразует акустический сигнал в электрический, поступающий на вход предварительного усилителя 2. С выхода предварительного усилителя 2 через замкнутый ключ 11 и двухпозиционный переключатель 12 сигнал поступает на вход полосового фильтра 3, обеспечивающего фильтрацию паразитных сигналов за пределами полосы пропускания. С выхода полосового фильтра 3 сигналы поступают на вход управляемого основного усилителя 4 с управляемым от микропроцессора 16 коэффициентом усиления. Сигнал с выхода управляемого основного усилителя 4 поступает на неинвертирующий вход компаратора 8. При превышении сигналом уровня селекции, на выходе компаратора 8 формируется сигнал высокого логического уровня. По этому уровню запускается счетчик разности времен прихода 15 и по нему микропроцессор 16 управления устройством формирует сигнал, который поступает на управляющие входы интегратора 13 и аналого-цифрового преобразователя 5 энергии сигнала. По данным сигналам с выходов микропроцессора 16 разрешается работа интегратора 13, на выходе которого формируется напряжение, пропорциональное энергии сигнала акустической эмиссии. При этом код аналого-цифрового преобразователя 5, соответствующего энергии сигнала, переписывается в регистр энергии сигнала 14. Микропроцессор 16 управления устройством считывает кодовые значения энергии сигналов из регистров 14 и через шину USB 17 передает их в центральный процессор 9 компьютера для дальнейшей обработки и оценки результатов калибровки.

Режим приема сигналов акустической эмиссии отличается от режима калибровки тем, что микропроцессор 16 управления устройством не выставляет сигналы с восьмого и девятого выходов для управления ключами 12 двухпозиционных переключателей. Поэтому ключи 12 двухпозиционных переключателей находятся в состоянии приема сигналов, когда выходы предварительных усилителей 2 обоих каналов подключены к входам полосовых фильтров 3. Обмотки реле 18 ключа предварительного усилителя 2 запитаны и контакты реле ключей 10, 11 предварительного усилителя 2 переключены в режим приема сигналов акустической эмиссии. При этом ключ 11 замкнут, а ключ 10 - разомкнут. В режиме работы устройства счетчик разности времен прихода 15 запускается первым по времени сработавшего компаратора 8, а останавливается по срабатыванию компаратора 8 другого канала. При этом на выходе счетчика разности времен прихода 15 формируется кодовый эквивалент разности времен прихода, который считывается микропроцессором 16 управления устройством. Если код разности времен прихода меньше заранее заданного значения, что соответствует акустическому сигналу, пришедшему из зоны сварного шва, то счетчик сигналов акустической эмиссии в микропроцессоре 16 управления устройством инкрементируется. По окончании интервала времени приема акустико-эмиссионных сигналов значение суммарного счета сигналов через шину USB 17 передается в центральный процессор компьютера 9.

По окончании интервала времени приема акустико-эмиссионных сигналов в микропроцессоре 16 управления устройством вычисляется скорость счета и медиана энергии локализованных сигналов акустической эмиссии на каждом из двух заданных временных интервалов.

Значения интервалов заранее задаются центральным процессором 9 компьютера и через шину USB 17 передаются в микропроцессор 16. Скорость счета N_Iна каждом из временных интервалов t_i определялась как

$N_{I} = \frac{N_{Σ_{i}}}{t_{i}}$ ,

где $N_{Σ_{i}}$ - значение суммарного счета сигналов акустической эмиссии на каждом из двух временных интервалов; t_i - время в i-й интервал времени.

Медиана энергии сигналов акустической эмиссии на каждом из интервалов определялась по формуле:

${(ζ_{1 / 2})}_{i} = \frac{X_{1 / 2}^{\min} + X_{1 / 2}^{\max}}{2}$

$X_{1 / 2}^{\min} = \min_{X} (F_{i} (X) = 1 / 2)$ , $X_{1 / 2}^{\max} = \min_{X} (F_{i} (X) > 1 / 2)$ ,

где F_i(X) - оцениваемая по значениям E_n,i функция распределения энергии сигналов n на интервале i, X_min, X_max - границы интервала.

Значения энергии Е сигналов акустической эмиссии пропорциональны значению напряжения интегратора 13 U_интегр и определяется как:

$E \approx U_{и н т е г р} = \int_{0}^{t_{с и г н}} | U (t) d t |$ ,

где U(t) - амплитуда сигнала акустической эмиссии в момент времени t; t_сигн - длительность сигнала акустической эмиссии.

Полученные значения напряжения интегратора 13 U_интегр считываются микропроцессором 16 из регистров энергии сигналов 14.

Для определения браковочных пороговых уровней выполнялась сварка N рубок рельсов. После их сварки временной процесс остывания делился пополам и вычислялись средние значения скорости счета и медианы энергии, которые заносились в центральный процессор компьютера 9.

В устройстве (фиг.1) осуществляется аппаратная фильтрация в момент сварки рельсов 19 (фиг.2). Локализация выполняется по разности времен прихода сигналов акустической эмиссии на акустические преобразователи 1. Это позволяет повысить быстродействие диагностической акустико-эмиссионной системы 21 (фиг.2) и увеличить достоверность результатов измерения за счет исключения ложных сигналов. При этом локализация сигналов акустической эмиссии осуществляется только из зоны сварного шва 20 (фиг.2).

Бесстыковой путь обладает значительными преимуществами перед звеньевым путем. При этом сокращается расход металла до 9 т на 1 км пути, снижается основное сопротивление движению поезда на (12…15) %, увеличивается срок службы элементов верхнего строения пути. Однако при укладке бесстыкового пути повышаются требования к контролю качества сварных стыков. В новых рельсах, поступающих на рельсосварочное предприятие для последующей сварки, возможны дефекты металлургического происхождения. Дефекты типа усталостных трещин и коррозионных повреждений подошвы рельса возникают в старогодних рельсах.

При использовании для контроля сварки рельсов акустико-эмиссионного метода возникает ряд сложностей, связанных с большим уровнем шумов и высокой температурой зоны контроля. Однако такие преимущества метода акустической эмиссии, как возможность контроля дефектов сварки в режиме реального времени, локализация дефектов сварки, автоматизация измерений сигналов акустической эмиссии с выдачей результатов с оценкой степени опасности дефектов, минимальное влияние человеческого фактора на результаты диагностики делают его перспективным при контроле дефектов сварки рельсов. Использование предлагаемого способа контроля сварки рельсов и устройства на его основе позволяет повысить достоверность контроля дефектов сварки во время остывания на (9-12) %.

1. Способ акустико-эмиссионного контроля качества сварных стыков рельсов, заключающийся в том, что производят сварку стыка, обрубку грата, регистрируют сигналы акустической эмиссии при остывании сварного шва, измеряют скорость счета сигналов акустической эмиссии, разбивают время контроля на интервалы, по превышению скорости счета сигналов акустической эмиссии порогового значения хотя бы в одном из интервалов, судят о качестве сварного шва, отличающийся тем, что дополнительно определяют медиану энергии сигналов акустической эмиссии, задают пороговые величины по средним значениям скорости счета и медианы энергии локализованных сигналов акустической эмиссии в двух равных интервалах времени при остывании сварного шва и при превышении скорости счета и медианы энергии сигналов их пороговых значений на любом из интервалов, сварной стык бракуют.

2. Многоканальное акустико-эмиссионное устройство для контроля качества сварных стыков рельсов, состоящее из двух каналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных акустического преобразователя, предварительного усилителя, полосового фильтра, основного управляемого усилителя, а также аналого-цифрового преобразователя, генератора калибровочных импульсов, цифроаналогового преобразователя, компаратора, центрального процессора компьютера, двух ключей, причем первый вход первого ключа соединен с выходом акустического преобразователя, а второй вход первого ключа соединен со вторым входом второго ключа и входом двухпозиционного ключа, первый вход второго ключа соединен с выходом предварительного усилителя, при этом первый выход двухпозиционного ключа соединен с последовательно соединенными фильтром, программируемым основным усилителем, а второй выход двухпозиционного ключа соединен с выходом генератора калибровочных импульсов, отличающееся тем, что в каждый канал дополнительно введены интегратор, регистр энергии сигнала, счетчик разности времен прихода, микропроцессор управления устройством, шина USB, обмотка реле ключа, причем, вход генератора калибровочных импульсов соединен с первым выходом микропроцессора управления, выход основного усилителя подключен к интегратору и неинвертирующему входу компаратора, инвертирующий вход которого соединен с выходом цифроаналогового преобразователя, входы цифроаналоговых преобразователей первого и второго каналов подключены к второму и третьему выходам микропроцессора управления, выход компаратора первого канала подключен к первому входу счетчика разности времен прихода и первому входу микропроцессора управления, выход компаратора второго канала подключен ко второму входу счетчика разности времен прихода и второму входу микропроцессора управления, а выход счетчика разности времен прихода цифровой шиной соединен с третьим входом микропроцессора управления, а выходы интеграторов каждого канала соединены с входами аналого-цифровых преобразователей, выходы которых цифровыми шинами соединены с входами регистров энергии сигнала первого и второго каналов, выходы которых соединены с четвертым и пятым входами микропроцессора управления, четвертый и пятый выходы микропроцессора управления соединены с управляющими входами основных усилителей первого и второго каналов, шестой и седьмой выходы микропроцессора управления соединены с управляющими входами интегратора и аналого-цифрового преобразователя каждого канала, а восьмой и девятый выходы микропроцессора управления соединены с управляющими ключами двухпозиционных переключателей первого и второго каналов, а десятый выход микропроцессора управления шиной USB соединен с входом центрального процессора, а выход центрального процессора компьютера соединен с шестым входом микропроцессора управления.

Использование: для контроля дефектности сляба. Сущность изобретения заключается в том, что выполняют установку датчиков акустической эмиссии на поверхности холодного сляба в порядке, обеспечивающем контроль всего материала сляба, механическое нагружение сляба за счет использования собственного веса сляба до напряжений от 20 до 80% предела текучести материала сляба, выдержку под нагрузкой не менее 1 мин, регистрацию сигналов акустической эмиссии и их обработку, определение координат источников акустической эмиссии и определение возможности дальнейшего использования сляба в производстве горячекатаной полосы путем сравнения диагностического параметра WАЭ с допустимым значением диагностического параметра [WАЭ] и при WАЭ>[WАЭ] сляб считают непригодным для дальнейшей прокатки.

Способ оперативного определения качества микроструктуры титанового сплава упругого элемента // 2525320

Использование: для оперативного определения качества микроструктуры титанового сплава упругого элемента. Сущность изобретения заключается в том, что выполняют более одного нагружения исследуемого упругого элемента нагрузкой до максимальной деформации с регистрацией сигналов акустической эмиссии при каждом нагружении.

Способ локации дефектов // 2523077

Использование: при акустико-эмиссионной диагностике материалов и конструкций. Сущность изобретения заключается в том, что на контролируемом изделии устанавливают два преобразователя акустической эмиссии, определяют закон затухания звука, принимают сигналы акустической эмиссии, генерируемые дефектом изделия в процессе эксплуатации или нагружения, регистрируют моды волн Лэмба в виде волнового пакета, получают частотно-временную зависимость на спектрограммах, выделяют энергетические максимумы антисимметричных и симметричных мод, по разнице во времени прихода энергетических максимумов на выбранных частотах определяют расстояние между преобразователями и источником акустической эмиссии, затем, используя ранее установленный закон затухания, рассчитывают координаты дефекта изделия.

Способ контроля физического состояния железобетонных опор со стрежневой напрягаемой арматурой // 2521748

Изобретение относится к методам неразрушающего контроля, а именно к виброакустическим методам, и может найти применение для физического контроля железобетонных опор со стержневой напрягаемой арматурой.

Способ повышения точности локации шумоподобных источников акустической эмиссии на основе спектрально-временного самоподобия // 2515423

Использование: для выявления шумоподобных источников акустической эмиссии во время диагностирования, мониторинга, оценки состояния и ресурса объектов контроля с применением локационных методов акустической эмиссии.

Способ исследования деформации и напряжений в хрупких тензоиндикаторах // 2505780

Использование: для исследования деформации и напряжений в хрупких тензоиндикаторах. Сущность: что проводят акустико-эмиссионнные измерения сигналов образования трещин в хрупком тензопокрытии, при этом дополнительно измеряют концентрацию аэрозолей в приповерхностном слое хрупкого тензопокрытия, при этом при скорости изменения нагрузки до 0,1 кН/с с учетом 30-секундной поправки на задержку регистрации диагностируют процесс разрушения оксидной пленки тензоиндикатора и материала подложки.

Преобразователь акустической эмиссии // 2504766

Использование: для неразрушающего контроля технического состояния промышленных объектов. Сущность: заключается в том, что преобразователь акустической эмиссии содержит корпус и установленный в нем пьезоэлемент с протектором, а также, по меньшей мере, один пьезотрансформатор, соединенный последовательно с пьезоэлементом.

Способ определения координат источника акустической эмиссии // 2498293

Использование: для определения координат источника акустической эмиссии. Сущность: заключается в том, что на контролируемом изделии на некотором расстоянии друг от друга устанавливают два преобразователя акустической эмиссии, изделие нагружают, принимают сигналы акустической эмиссии, генерируемые дефектом изделия, регистрируют моды волн Лэмба в виде волнового пакета, после представления которого частотно-временной зависимостью на спектрограммах выделяют энергетические максимумы антисимметричных и симметричных мод, по разнице во времени прихода энергетических максимумов на выбранных частотах определяют расстояния между преобразователем и источником акустической эмиссии, после чего по полученным результатам рассчитывают координаты дефекта изделия.

Способ механического испытания на сплющивание с анализом акустико-эмиссионных сигналов // 2497109

Изобретение относится к области методов контроля качества сталей и сплавов. Технический результат - повышение точности измерений.

Способ контроля прочности железобетонного изделия в условиях чистого изгиба // 2495413

Использование: для контроля прочности железобетонного изделия в условиях чистого изгиба. Сущность: заключается в том, что изделие циклически нагружают от нуля с постепенно возрастающей амплитудой до появления сигналов акустической эмиссии перед окончанием разгружения, и по среднему для максимальных нагрузок двух последних циклов судят о максимальной неразрушающей нагрузке изделия, причем при появлении сигналов акустической эмиссии перед окончанием разгружения определяют координаты ее источника (дефекта), амплитуды и нагрузки возникновения этих сигналов, после чего продолжают циклическое нагружение с повышением амплитуды, после каждого разгружения определяют координаты новых источников сигналов акустической эмиссии, амплитуды и нагрузки возникновения сигналов, контролируют изменение амплитуды и нагрузки возникновения сигналов для каждого источника от цикла к циклу, а при их возрастании у одного из источников прекращают нагружения.

Способ определения изменения напряженного состояния горного массива в окрестностях выработки // 2532817

Изобретение относится к горному делу и предназначено для определения изменения напряженного состояния горного массива. Технический результат направлен на повышение длительности определения изменений напряженного состояния горного массива в окрестностях выработок в ходе непрерывных мониторинговых акустико-эмиссионных измерений перемещения вглубь массива зоны опорного давления. Способ включает размещение в скважине полого цилиндрического звукопровода, прием и анализ параметров распространяющихся в нем ультразвуковых сигналов с помощью установленных на его торцевых поверхностях преобразователей акустической эмиссии. Предварительно на звукопроводе соосно с ним и на некотором расстоянии друг от друга закрепляют не менее двух колец из текстолита, внутренний диаметр которых совпадает с диаметром звукопровода, а внешний - с диаметром скважины. Деформация скважины, вызванная смещением зоны опорного давления, приводит к деформации соответствующих текстолитовых колец и, соответственно, росту акустико-эмиссионной активности в этих дисках. Измеряют разность времен прихода на приемные преобразователи тех сигналов акустической эмиссии, амплитуда которых максимальна из всех приходящих сигналов, причем о глубине зоны опорного давления и изменении ее во времени судят по указанной выше разности времен, известной длине звукопровода и измеренной скорости распространения ультразвука в нем. 4 ил.

Способ контроля зоны термического влияния сварных соединений // 2534448

Использование: для контроля зоны термического влияния сварных соединений. Сущность изобретения заключается в том, что сварное соединение подвергают термическому воздействию, регистрируют сигналы акустической эмиссии и по их параметрам судят о качестве сварного соединения, при этом сигналы акустической эмиссии инициируют локальным термическим воздействием поочередно в точках контроля, расположенных на линии, перпендикулярной сварному шву, строят зависимость параметров данных сигналов для каждой контрольной точки от ее расстояния до сварного шва и по указанной зависимости оценивают размер зоны термического влияния как расстояние между наиболее удаленными от сварного шва контрольными точками, в которых значение суммарной энергии акустических сигналов ниже, чем в основном (не подвергнутом термическому влиянию при сварке) металле сварного соединения. Технический результат: обеспечение возможности оценки размеров зоны термического влияния и контроль структурного состояния металла в данной зоне сварных соединений. 1 ил.

Способ диагностики наличия трещин в ходовых частях тележки подвижного состава // 2535246

Использование: для диагностики наличия трещин в ходовых частях тележки подвижного состава. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют прием, регистрацию и обработку сигналов от преобразователей акустической эмиссии в процессе движения подвижного состава, который прогоняют по железнодорожному пути, при этом на заданном участке железнодорожного пути создают искусственные неровности в вертикальной плоскости, на которые устанавливают преобразователи акустической эмиссии, по параметрам сигналов с которых судят о наличии трещин в ходовых частях тележки подвижного состава. Технический результат: обеспечение возможности диагностики наличия трещин в ходовых частях тележки подвижного состава без необходимости установки диагностического оборудования на тележку вагона подвижного состава. 2 ил.

Акустико-эмисионный способ диагностирования металлических конструкций // 2537747

Использование: для диагностики и неразрушающего контроля металлических конструкций. Сущность изобретения заключается в том, что выполняют прием, регистрацию и оценку параметров сигналов акустической эмиссии в момент нагружения конструкции, оцифровку акустических сигналов, их предварительную обработку, фильтрацию помех, при этом сначала устанавливают критические значения нагрузки Pкр и коэффициента регрессии kкр, характеризующего изменение числа сигналов акустической эмиссии к изменению нагрузки для бездефектной конструкции, затем конструкцию нагружают до значения нагрузки, превышающей рабочую на (5…10) %, регистрируют при этом число сигналов и нагрузку линейного участка стационарной акустической эмиссии, регистрируют при этом коэффициент регрессии k0, после чего конструкцию нагружают циклической нагрузкой, амплитудное значение которой повышают постепенно на (2…5) %, и при достижении превышения на (15…20) % рабочей нагрузки нагружение прекращают, если в процессе контроля k0<kкр, то конструкцию считают бездефектной, а при значении k0>kкр конструкцию бракуют. Технический результат: повышение достоверности акустико-эмиссионного контроля металлических конструкций. 2 з.п. ф-лы, 4 ил., 4 табл.

Способ и устройство акустико-эмиссионной диагностики дефектов морских ледостойких сооружений // 2538360

Использование: для акустико-эмиссионной диагностики морских ледостойких сооружений. Сущность изобретения заключается в том, что в критичных узлах конструкции сооружения устанавливают акустико-эмиссионные преобразователи звукового диапазона частот, регистрируют сигналы акустической эмиссии и по параметрам сигналов акустической эмиссии определяют степень дефекта конструкции сооружения, при этом дополнительно устанавливают в критичных узлах конструкции сооружения группу акселерометров, воспринимающих механические напряжения низкочастотных колебаний инфразвукового диапазона частот, а затем вычисляют первую функцию взаимной корреляции между сигналами, поступающими от акустико-эмиссионных преобразователей и акселерометров, а затем вторую функцию взаимной корреляции между сигналами, поступающими от каждой пары ближайших акустико-эмиссионных преобразователей, при этом дефекты сооружения обнаруживают по амплитуде и форме максимумов от каждой функции корреляции, а координаты дефектов определяют по временной задержке максимума второй функции корреляции между каждой парой акустико-эмиссионных преобразователей. Технический результат: повышение надежности обнаружения и диагностики скрытых дефектов морских ледостойких сооружений. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Способ определения оптимальной депрессии на пласт // 2538563

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано для определения оптимальной депрессии на нефтяной пласт. Техническим результатом является повышение точности определения оптимальной депрессии на пласт. Способ включает снятие индикаторной диаграммы зависимости дебита скважины от депрессии на пласт и определение максимума зависимости, соответствующего оптимальной депрессии. Снимают зависимость упруго-деформационной характеристики, например скорости распространения упругой волны от перового давления в образце керна, отобранном из пласта и помещенном в гидрокамеру со всесторонним давлением, соответствующим условиям естественного залегания, затем плавно снижают поровое давление до пластового давления со скоростью, не превышающей скорость релаксации предельных напряжений в керне, о которой судят по отсутствию акустической эмиссии, и далее продолжают снижать поровое давление уже в качестве депрессии на керн, и по началу резкого уменьшения градиента изменения этой зависимости при достижении предела пластичности и возникновения акустической эмиссии судят о предельной величине оптимальной депрессии. 1 ил.

Способ регистрации сигналов акустической эмиссии // 2555506

Изобретение относится к акустическим методам неразрушающего контроля и предназначено для определения прочностных характеристик материала. Сущность изобретения заключается в том, что способ регистрации сигналов акустической эмиссии, в котором образец материала нагружают с помощью гидропресса, и фиксируют сигнал акустической эмиссии, образец подвергают импульсному воздействию, формируя продольную упругую волну, которая стимулирует массовый синхронный выход дислокаций из кристалла материала, что в результате создает суммарный сигнал акустической эмиссии, устойчиво фиксируемый пьезодатчиком. Технический результат - упрощение регистрации и обработки сигнала акустической эмиссии. 2 ил.

Способ выполнения монтажных соединений на высокопрочных болтах с контролируемым натяжением // 2560255

Изобретение относится к области соединения или предотвращения относительного смещения деталей машин или элементов конструкций и направлено на возможность осуществления сплошного контроля натяжения болта. Способ заключается в том, что после сборки болтового соединения, перед окончательной затяжкой на болт с использованием специальной смазки для обеспечения акустического контакта устанавливают преобразователь сигналов акустической эмиссии. Затем производят окончательную затяжку, в процессе которой и определенное время после нее регистрируют сигналы акустической эмиссии, и по результатам анализа полученных сигналов акустической эмиссии судят о качестве болтового соединения. 1 ил.

Испытания на вязкость вкладышей из поликристаллического алмазного композита (pdc), поликристаллического кубического нитрида бора (pcbn), или других твердых или сверхтвердых материалов с использованием акустической эмиссии // 2562139

Использование: для определения ударной вязкости испытуемого образца. Сущность изобретения заключается в том, что собирают акустические данные от акустического датчика с помощью средства сбора акустических данных при приложении к испытуемому образцу нагрузки, при этом указанный акустический датчик связан с испытуемым образцом; определяют одну или более фоновых точек с помощью средства определения фоновых точек; определяют одну или более точек возможного акустического события с помощью средства определения точек возможного акустического события; интерполируют кривую характеристики фонового шума с использованием фоновых точек с помощью средства интерполяции кривой характеристики фонового шума; определяют одну или более точек фактического акустического события с использованием точек возможного акустического события и кривой характеристики фонового шума с помощью средства определения точек фактического акустического события; и вычисляют площадь акустического события, заключенную между точкой фактического акустического события и кривой характеристики фонового шума с помощью средства вычисления площади фактического акустического события. Технический результат: обеспечение возможности определения фактической прочности и ударной вязкости твердых и сверхтвердых компонентов с использованием акустической эмиссии. 3 н. и 28 з.п. ф-лы, 23 ил.

Способ определения обрабатываемости материалов // 2564043

Изобретение относится к обработке материалов резанием и может быть использовано в машиностроении для ускоренной автоматизированной оценки обрабатываемости как традиционно применяемых сталей и сплавов в изменяющихся условиях резания, так и новых марок сплавов, наплавленных и композиционных материалов и т.д. Сущность: осуществляют регистрацию параметров сигналов акустической эмиссии - числа импульсов моды амплитудного распределения, соответствующих пластическому деформированию при точении. Для регистрируемого датчиком сигнала акустической эмиссии рассчитывают среднее квадратическое значение сигнала в рассматриваемом интервале времени (Urms). С помощью преобразования Фурье получают амплитудно-частотное представление сигнала акустической эмиссии, определяют значение медианной частоты (Fmed). По их произведению (Urms×Fmed) судят об обрабатываемости материала. Технический результат: сокращение времени и трудоемкости определения обрабатываемости материалов, определение не относительного, а абсолютного значения обрабатываемости. 3 ил., 2 табл.