Способ беспороговой автоматической интеллектуальной регистрации сигналов акустической эмиссии устройством неразрушающего контроля

Использование: для неразрушающего контроля с применением метода акустической эмиссии (АЭ). Сущность изобретения заключается в том, что регистрация импульсов акустической эмиссии осуществляется без применения порогового ограничения при оценке параметров импульсов акустической эмиссии и шума во временных интервалах определенной длительности, регистрация импульсов акустической эмиссии осуществляется на основании комбинированного критерия, если выполняется одна из двух статистических гипотез - гипотеза о равенстве нулю момента шестого порядка и гипотеза о различии дисперсий отсчетов сигнала акустической эмиссии, рассчитанные в соседних временных окнах, время начала импульса акустической эмиссии определяется внутри выделенного временного интервала методом кумулятивных сумм. Технический результат: упрощение процедуры проведения АЭ контроля за счет автоматической беспороговой регистрации данных, повышение чувствительности метода АЭ за счет регистрации импульсов с амплитудой порядка уровня шума, а также повышение точности определения координат источников АЭ за счет определения времени начала импульса АЭ. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

1. Область техники

Изобретение относится к области технической диагностики и неразрушающего контроля с применением метода акустической эмиссии (АЭ) и направлено на автоматизацию процесса сбора данных и повышение точности при определении координат (локации) источников АЭ во время проведения диагностирования.

2. Уровень техники

Традиционным способом регистрации сигналов акустической эмиссии является пороговый метод по ПБ 03-593-03. Правила организации и проведения акустико-эмиссионного контроля сосудов, аппаратов, котлов и технологических трубопроводов, утвержденных Постановлением Госгортехнадзора России от 9 июня 2003 г. N 77, который заключается в том, что импульс АЭ считается обнаруженным в момент, когда отсчеты сигнала АЭ превышают определенное пороговое значение. У метода пороговой регистрации есть два основных недостатка - возможность завышения или занижения порогового значения оператором и погрешность определения времени начала сигнала, вызванная тем, что отсчеты, соответствующие началу сигнала, могут быть ниже порогового уровня. Погрешность определения времени прихода импульсов АЭ приводит к неточному определению координат источника АЭ.

Известен способ автоматического определения порогового значения J. Rodgers, The Use of a Floating Threshold for Online Acoustic Emission Monitoring of Fossil High Energy Piping, Newsletter, Acoustic Emission Consulting, Ver. 1.0, Aug. 1994, в соответствии с которым пороговое значение определяется на основании среднеквадратического значения (СКЗ) сигнала за определенный период времени. Предполагается, что СКЗ сигнала приблизительно соответствует уровню шума, а значение плавающего порога задается приблизительно в два раза выше значения СКЗ. Этот способ позволяет исключить влияние субъективного фактора при выборе значения порога, однако не решает проблемы точности определения местоположения источника АЭ.

Известны способы пороговой регистрации импульсов АЭ, обеспечивающие более точное определение времени начала импульса за счет предварительной фильтрации зашумленного сигнала. В частности, известен способ определения времени начала импульса АЭ, основанный на применении вейвлет-фильтрации - способ определения координат источников сигналов акустической эмиссии и устройство для его осуществления: патент РФ №235604 /Степанова Л.Н., Серьезное А.Н., Кабанов С.И., Лебедев Е.Ю., Рамазанов И.С., патентообладатель ФГУП "Сибирский научно-исследовательский институт авиации им. С.А. Чаплыгина", №2007124242/28, 27.06.2007, опубл. 20.05.2009, бюл. №14. Параметры алгоритма фильтрации выбираются адаптивно, во время проведения предварительных калибровочных измерений на объекте контроля. При правильной работе алгоритма шум оказывается удаленным полностью и регистрация импульсов проводится с нулевым порогом.

Недостатком данного способа является необходимость предварительной процедуры определения настроечных параметров алгоритма. Для реализации способа необходимо провести имитацию импульсов АЭ внутри каждой локационной антенны. При проведении промышленного АЭ контроля проведение дополнительных калибровочных измерений может привести к усложнению процедуры АЭ контроля и увеличению времени на его проведение. Кроме того, поскольку адаптация алгоритма проводится к определенному виду шума, при изменении характера шума требуется проведение повторной процедуры калибровки.

Известен способ беспороговой регистрации импульсов АЭ, который основан на анализе взаимной корреляционной функции АЭ сигналов, зарегистрированных по различным измерительным каналам - способ повышения точности локации шумоподобных источников акустической эмиссии на основе спектрально-временного самоподобия: Патент РФ №2515423/ Растегаев И.А., Данюк А.В., Виноградов А.Ю., Мерсон Д.Л., Чугунов А.В., патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тольяттинский государственный университет» Заявка: 2012155130/28, 20.12.2012, опубл. 10.05.2014, бюл. №13. Такой способ регистрации может быть применен для выявления и локации шумоподобных источников АЭ, при помощи корреляционного способа могут быть выявлены сигналы, соответствующие утечкам, а также трению и износу элементов конструкции. Однако подобный метод имеет ограниченное применение для регистрации импульсов АЭ, поскольку импульсы, зарегистрированные различными измерительными каналами, могут не быть коррелированными из-за различий формы и спектра, вызванных различиями акустического тракта.

Наиболее близким к предлагаемому является способ регистрации и анализа импульсов АЭ способ регистрации и анализа сигналов акустической эмиссии, патент РФ №2570592, Иноземцев В.В., Прохоровский А.С., Кузьмин А.Н., Аксельрод Е.Г., основанный на применении адаптивной фильтрации, с последующим расчетом локальных параметров временных рядов, усредненных в пределах заданного скользящего временного окна. Обнаружение импульсов АЭ осуществляется на основании различий параметров импульсов АЭ и шума.

Недостатком известного способа регистрации АЭ данных является его реализация в отсроченном режиме, уже после завершения процедуры сбора данных. Отсроченный способ реализации метода не позволяет оперативно оценивать результаты АЭ контроля в соответствии с ПБ 03-593-03, что особенно важно при оценке класса опасности выявленных источников АЭ. Также следует отметить, что известный способ предназначен только для обнаружения импульсов АЭ и не предполагает уточнения времени начала импульса, следовательно, уточнение координат источников АЭ при помощи способа регистрации и анализа сигналов акустической эмиссии - патент РФ №2570592, Иноземцев В.В., Прохоровский А.С., Кузьмин А.Н., Аксельрод Е.Г. - оказывается невозможным.

3. Раскрытие изобретения

3.1 Результат

Технический результат, на достижение которого направленно изобретение, заключается в упрощении процедуры проведения АЭ контроля за счет автоматической беспороговой регистрации данных, повышении чувствительности метода АЭ за счет регистрации импульсов с амплитудой порядка уровня шума, а также в повышении точности определения координат источников АЭ за счет определения времени начала импульса АЭ.

3.2 Отличительные признаки

Поставленная задача достигается тем, что предлагаемое устройство содержит 1...n каналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных акустического преобразователя, предварительного усилителя, фильтра, основного усилителя, аналого-цифрового преобразователя, а также содержит программируемую логическую интегральную схему, реализующую алгоритм регистрации импульсов АЭ. Алгоритм регистрации реализован в режиме on-line без буферизации данных.

Основными математическими операциями, на базе которых реализуется алгоритм регистрации данных, являются вычисление выборочной дисперсии и выборочного момента шестого порядка на интервалах сигнала si(t) длительностью N1. На основании выборочных значений и вычисленных для N2 интервалов сигнала и заданной вероятности ошибки первого рода осуществляется вычисление критических областей (порогов) для проверки гипотезы о равенстве нулю момента шестого порядка и гипотезы о различии дисперсий, и , вычисленных на соседних временных интервалах.

При невыполнении хотя бы одной из двух гипотез происходит регистрация импульса АЭ. На основании выборочных распределений и вычисляется вероятность обнаружения импульса. Для интервала сигнала si(t), в котором обнаружен импульс АЭ, методом кумулятивных сумм проводится уточнение времени начала импульса.

4. Осуществление изобретения

Способ и алгоритм регистрации импульсов АЭ осуществляются в соответствии со структурной схемой, показанной на Фиг. 1. Волны акустической эмиссии регистрируются акустическим преобразователем и преобразуются в электрические сигналы u(t), которые в свою очередь усиливаются предварительным и основным усилителем, фильтруются и дискретизируются при помощи аналого-цифрового преобразователя. Дискретизированный сигнал поступает на вход программируемой логической интегральной схемы, в которой реализуется алгоритм регистрации импульсов АЭ.

Алгоритм реализуется следующим образом. Во временном окне длительностью N (1) рассчитываются выборочная дисперсия s2 (2) и выборочный момент шестого порядка s6 (3).

ƒhigh - верхнее значение диапазона частот, к - коэффициент разрешения по частоте.

На основании вычисленных значений проводится проверка статистических гипотез о равенстве нулю момента шестого порядка s6 против альтернативной гипотезы о том, что s6 больше нуля (4) и о равенстве значений дисперсии в двух соседних временных интервалах, против альтернативной гипотезы об их неравенстве (5).

Импульс АЭ считается обнаруженным, если не выполняется хотя бы одна из двух гипотез. Уровень значимости α, определяющий вероятность ложного обнаружения импульса АЭ, задается оператором в качестве настроечного параметра.

Для проверки гипотезы о равенстве нулю момента шестого порядка проводится построение критической области - определяется такое значение , превышение которого свидетельствует о том, что значение значимо отлично от нуля, при этом нулевая гипотеза Н0 отвергается и принимается альтернативная гипотеза H1. Для определения критической области строится выборочная плотность распределения момента шестого порядка (Фиг. 5), сформированная значениями , рассчитанными для различных временных окон. Граница критической области определяется таким образом, чтобы площадь под кривой выборочного распределения справа от точки была равна α. Для адаптации алгоритма к изменению характера шума, гистограмма строится на коротком временном интервале порядка 1-5 секунд.

Для проверки гипотезы о равенстве дисперсий в двух соседних временных интервалах используется F критерий (6), равный отношению дисперсий.

При выполнении нулевой гипотезы критерий соответствует распределению Фишера с числом степеней свободы, равном N. Критическая область определяется на основании уровня значимости α, из выражения (7)

5. Краткое описание чертежей

Фиг. 1 Блок-схема устройства обнаружения импульсов АЭ, включающая акустический преобразователь, предварительный усилитель, фильтр, основной усилитель, аналого-цифровой преобразователь и программируемую логическую схему.

Фиг. 2 Пример сигнала АЭ, импульс АЭ наблюдается на фоне шумов, максимальное значение импульса незначительно превышает уровень шума.

Фиг. 3 Выборочная дисперсия, вычисленная в скользящем окне. Время возрастания выборочной дисперсии соответствует времени начала импульса АЭ.

Фиг. 4 Момент шестого порядка, вычисленный в скользящем окне. Время возрастания момента шестого порядка соответствует времени начала импульса АЭ.

Фиг. 5 Расчет критической области при проверке гипотезы об обнаружении импульса. На фиг. 5 показана выборочная плотность распределения момента шестого порядка, на графике показано критическое значение момента, превышение которого соответствует обнаружению импульса АЭ.

Фиг. 6 Блок-схема алгоритма обнаружения импульсов АЭ изображает последовательность логических операций, реализуемых устройством беспороговой регистрации импульсов АЭ.

1. Способ регистрации импульсов акустической эмиссии (АЭ), заключающийся в том, что регистрация импульсов акустической эмиссии осуществляется устройством неразрушающего контроля без применения порогового ограничения при оценке параметров импульсов акустической эмиссии и шума во временных интервалах определенной длительности, отличающийся тем, что регистрация импульсов акустической эмиссии осуществляется на основании комбинированного критерия, если не выполняется хотя бы одна из двух статистических гипотез - гипотеза о равенстве нулю момента шестого порядка и гипотеза о равенстве дисперсий отсчетов сигнала акустической эмиссии, рассчитанных в соседних временных окнах, время начала импульса акустической эмиссии определяется внутри выделенного временного интервала методом кумулятивных сумм.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при регистрации импульсов АЭ используются не только локальные параметры сигнала, но и параметры, рассчитанные в различных временных масштабах.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что помимо обнаружения импульсов АЭ заявляемый способ позволяет дополнительно уточнить время прихода сигнала с использованием метода кумулятивных сумм.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что позволяет задать определенный уровень ошибки первого рода обнаружения импульсов АЭ.



 

Похожие патенты:

Использование: для контроля силовых элементов конструкций. Сущность изобретения заключается в том, что многоканальная акустико-эмиссионная система контроля силовых элементов конструкций состоит из N-каналов, каждый из которых содержит последовательно соединенные преобразователь акустической эмиссии, установленный на объекте контроля в местах максимальной концентрации напряжений, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), блок вычисления известных акустико-эмиссионных критериев, а также устройство отображения информации, при этом в каждый из каналов дополнительно введены блок вычисления инвариантов временных интервалов импульсов акустической эмиссии и два блока вычисления инвариантов числа импульсов акустической эмиссии, входы которых объединены с входом блока вычисления известных акустико-эмиссионных критериев, а выходы соединены с соответствующими входами устройства отображения информации.

Использование: для обнаружения и контроля кавитации внутри устройства регулирования потока, такого как регулирующий клапан. Сущность изобретения заключается в том, что система и устройство для обнаружения и контроля кавитации внутри устройства регулирования потока, такого как регулирующий клапан, содержит датчик акустической эмиссии, соединенный с устройством регулирования потока таким образом, чтобы получать акустические сигналы, обусловленные кавитацией.

Использование: для акустических измерений на промышленных предприятиях. Сущность изобретения заключается в том, что акустическая измерительная система для объекта производственного процесса содержит: акустический передатчик, установленный на объекте производственного процесса, причем упомянутый акустический передатчик включает в себя первый акустический датчик; устройство контроля процесса, предоставляющее значение, представляющее акустический сигнал вблизи объекта производственного процесса, на основании, частично, сигнала от первого акустического датчика; второй акустический датчик, предоставляющий акустическое значение; и компонент снижения шума, который использует акустическое значение от второго акустического датчика для воздействия на значение, предоставляемое устройством контроля процесса, так что значение, предоставляемое устройством контроля процесса, в большей степени представляет акустический сигнал, создаваемый объектом производственного процесса.

Использование: для неразрушающего контроля днищ вертикальных стальных резервуаров при акустико-эмиссионном методе неразрушающего контроля. Сущность изобретения заключается в том, что на днище резервуара устанавливают пъезоакустические преобразователи, создают упругую деформацию локального участка днища, регистрируют сигналы акустической эмиссии, при этом создание упругой деформации локального участка днища производят локальным охлаждением поверхности твердым диоксидом углерода, сублимация которого происходит при минус 72°C, что максимально исключает фиксацию ложных акустических сигналов.

Изобретение относится к области ультразвукового контроля изделий, имеющих плоскую или цилиндрическую поверхность. Для расширения области применения на нижней поверхности корпуса устройства имеется продольный паз, стенки которого являются опорами и боковыми стенками локальной ванны, торцевыми стенками которой являются сменные планки.

Использование: для неразрушающего контроля металлокомпозитных баков высокого давления по акустико-эмиссионным сигналам. Сущность изобретения заключается в том, что в процессе нагружения баков путем постепенного увеличения внутреннего давления измеряют параметры акустико-эмиссионных сигналов, по которым определяют уровень накопленных повреждений, и по достижению параметрами критических значений принимают решение о пригодности бака к эксплуатации, при этом проводят тарировочные испытания эталонного бака до уровня не более 1,25 от заданного рабочего давления с непрерывным контролем потоков акустико-эмиссионных сигналов в композиционном материале и соответствующих им внутренних давлений в баке, проводят выделение узкополосных и широкополосных акустико-эмиссионных сигналов, соответствующих процессам разрушения матрицы и волокон композиционного материала, путем вычисления средних квадратических отклонений амплитуд узкополосных и широкополосных акустико-эмиссионных сигналов, определения критериальных параметров, соответствующих квантилям эмпирических функций распределения средних квадратических отклонений амплитуд узкополосных и широкополосных акустико-эмиссионных сигналов, уровень которых выбирается не ниже уровня средних квадратических отклонений шумового потока акустико-эмиссионных сигналов и не выше медианного значения распределения, выбора уровня порога дискриминации исходя из критериальных параметров так, чтобы порог дискриминации соответствовал не менее 75% от разницы критериальных параметров широкополосных и узкополосных акустико-эмиссионных сигналов, полученных на этапе тарировочных испытаний, нагружение каждого последующего бака производят до момента достижения критериальным параметром порога дискриминации, а решение об уровне квалификации бака принимают на основании сравнения внутренних давлений в партии баков, соответствующих порогам дискриминации.

Использование: для мониторинга степени деградации структуры материала и определения остаточной прочности изделия. Сущность изобретения заключается в том, что выполняют акустико-эмиссионный (АЭ) контроль с использованием локационных групп преобразователей активной эмиссии, предусилителей и системы сбора-обработки регистрируемых массивов импульсов активной эмиссии, при этом в режиме реального времени осуществляют градацию массивов импульсов активной эмиссии по уровню относительной энергии и усредненной частоте выбросов, формируют нижний, средний и верхний кластеры в поле указанных параметров, и вычисляют процентное содержание импульсов в каждом кластере, отражающее микро-, мезо- и макроструктурные разрушения материала, причем в качестве информативных и устойчивых акустико-эмиссионных параметров для кластерного разделения сигналов используют показатель относительной энергии импульса, измеряемого в децибелах и соответствующего количеству выбросов в единицах, по которым при сопоставлении с результатами тестовых испытаний материала на разрушение определяют степень деградации и остаточной прочности изделия в зоне акустико-эмиссионного контроля, причем границы формируемых кластеров устанавливают по результатам предварительного тестирования материала изделия исходя из природы источников излучения импульсов и используемого уровня порога дискриминации сигналов.
Использование: для обнаружения и регистрации в электропроводящих изделиях усталостных поверхностных трещин с использованием метода акустической эмиссии (АЭ). Сущность изобретения заключается в том, что инициируют акустическую эмиссию в контролируемом изделии путем его нагружения, выполняют регистрацию и обработку сигналов акустической эмиссии, при этом осуществляют сканирование изделия линейным индуктором, через который пропускают импульсный электрический ток плотностью, обеспечивающей отсутствие нагревания индуктора и достаточной для инициирования сигнала акустической эмиссии, при этом линейный индуктор жестко связан с пьезопреобразователем датчика акустической эмиссии на расстоянии не более диаметра пьезопреобразователя.

Использование: для неразрушающего контроля металлических конструкций с использованием метода акустической эмиссии. Сущность изобретения заключается в том, что выполняют установку акустических преобразователей на конструкцию с образованием пьезоантенны и акустического преобразователя имитатора в зону, ограниченную пьезоантенной, выполняют калибровку конструкции, определяют скорость распространения сигналов акустической эмиссии на конструкции и определяют минимальную длительность двух временных «окон» по минимальному разбросу времен прихода и разности их времен прихода на акустические преобразователи, при этом времена прихода сигналов акустической эмиссии на датчики пьезоантенны определяются по максимальному значению отношения энергии сигнала во втором временном «окне» к энергии сигнала в первом временном «окне» и вычислению по ним координат дефектов.

Использование: для проведения грузовых испытаний транспортно-установочного оборудования ракетно-космических и ракетных комплексов (ТУО). Сущность изобретения заключается в том, что на поверхность объекта устанавливают преобразователи акустической эмиссии (АЭ), объект нагружают пробной нагрузкой и одновременно производят регистрацию сигналов АЭ, классифицируют источники сигналов АЭ по степени опасности, при этом нагружение производят путем установки грузомакета фиксированной массы, подъема стрелы с установленным грузомакетом по специальной программе, позволяющей обнаружить опасные скрытые дефекты на этапах наиболее неблагоприятного сочетания действующих нагрузок и разработанной таким образом, чтобы суммарное время периода нагружения и периода регистрации сигналов АЭ не превышало длительность серии сигналов АЭ, сопровождающих развитие трещины; длительность серии сигналов АЭ предварительно определяют при разрушении образцов, изготовленных из материала, идентичного по химическому, фазовому и структурному составу материалу объекта, и толщиной, равной толщине стенок металлоконструкций объекта.

Использование: для неразрушающего контроля с применением метода акустической эмиссии. Сущность изобретения заключается в том, что регистрация импульсов акустической эмиссии осуществляется без применения порогового ограничения при оценке параметров импульсов акустической эмиссии и шума во временных интервалах определенной длительности, регистрация импульсов акустической эмиссии осуществляется на основании комбинированного критерия, если выполняется одна из двух статистических гипотез - гипотеза о равенстве нулю момента шестого порядка и гипотеза о различии дисперсий отсчетов сигнала акустической эмиссии, рассчитанные в соседних временных окнах, время начала импульса акустической эмиссии определяется внутри выделенного временного интервала методом кумулятивных сумм. Технический результат: упрощение процедуры проведения АЭ контроля за счет автоматической беспороговой регистрации данных, повышение чувствительности метода АЭ за счет регистрации импульсов с амплитудой порядка уровня шума, а также повышение точности определения координат источников АЭ за счет определения времени начала импульса АЭ. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

Наверх