Виброакустический способ оценки технического состояния проводящих инженерных коммуникаций
Владельцы патента RU 2734724:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский государственный энергетический университет" (RU)
Изобретение относится к области неразрушающих методов контроля, а именно к вибрационной диагностике, и может быть использовано для анализа технического состояния проводящих инженерных коммуникаций. В ходе реализации способа осуществляют генерирование звуковых колебаний с резонансной частотой посредством динамического излучателя и регистрацию сигнала динамического излучателя посредством чувствительного элемента. При этом осуществляют генерирование волн Лэмба с резонансной частотой, находящейся в диапазоне от 250 до 15000 Гц, при этом регистрацию колебаний осуществляют через одинаковые интервалы по всей длине диагностируемого объекта, далее по результатам измерений, регистрируемых чувствительным элементом, строят график распределения амплитуды колебания волны Лэмба по линии измерения. Затем производится анализ полученных результатов, в точках, где график амплитуд колебаний трубопровода выходит за пределы доверительного интервала, находится зона дефекта, а определение размера дефекта основывается на степени выхода графика амплитуды колебания трубопровода за пределы доверительного интервала. Технический результат заключается в возможности локализации и определения размеров дефекта не только в трубопроводах, но и в любых полых инженерных коммуникациях (пневмо- и гидропроводах). 4 ил.
Изобретение относится к области неразрушающих методов контроля, а именно к вибрационной диагностике и может быть использовано для анализа технического состояния проводящих инженерных коммуникаций.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ определения расположения трубопровода (патент РФ на изобретение RU № 2482515, МПК G01V 1/00 (2006.01), G01N 29/00 (2006.01), 20.05.2013), заключающийся в том, что в трубопроводе осуществляют генерирование звуковых колебаний с резонансной частотой посредством динамического излучателя, устанавливаемого непосредственно в трубопровод на место запорно-регулирующей арматуры, и регистрацию сигнала динамического излучателя посредством чувствительного элемента.
Данное изобретение направлено на поиск трубопровода, заложенного в грунте, при этом данный способ не позволяет определять наличие дефекта в трубопроводе, его локализацию и размеры. Кроме того, недостатком прототипа является возможность его применения только к трубопроводам.
Задачей заявляемого изобретения является виброакустический способ оценки технического состояния проводящих инженерных коммуникаций, в котором устранены недостатки прототипа.
Техническим результатом является виброакустический способ оценки технического состояния проводящих инженерных коммуникаций, который позволяет определять не только наличие дефекта, но и размеры и локализацию (позиционирование) не только в трубопроводах, но и в любых проводящих инженерных коммуникациях для транспортировки жидких и газообразных сред (пневмо- и гидропроводах).
Технический результат достигается тем, что в виброакустическом способе оценки технического состояния проводящих инженерных коммуникаций осуществляют генерирование звуковых колебаний с резонансной частотой посредством динамического излучателя и регистрацию сигнала динамического излучателя посредством чувствительного элемента, согласно предлагаемому изобретению, осуществляют генерирование волн Лэмба с резонансной частотой, находящейся в диапазоне от 250 до 15000 Гц, при этом регистрация колебаний осуществляют через одинаковые интервалы по всей длине диагностируемого объекта, далее по результатам измерений, регистрируемых чувствительным элементом, строят график распределения амплитуды колебания волны Лэмба по линии измерения.
На основании полученного графика амплитудной характеристики волны Лэмба строят полином. Степень полинома подбирается автоматически исходя из заданной точности аппроксимации. В зависимости от чувствительности строится доверительный интервал, который определяет наличие или отсутствие дефектов. Для построения границ доверительного интервала производится вычисление дисперсии линии регрессии по формуле (1):
(1)
где k – число коэффициентов, входящих число коэффициентов, входящих в аналитическое выражение регрессии (для линейной регрессии k=2); n – число данных зависимости максимальных амплитуд сигналов чувствительного элемента от площадей дефектов.
Полученная линия регрессии транслируется в вероятностную зависимость путем использования порога обнаружения и нормальной (Гауссовской) функции распределения вероятностей вида (2):
(2)
где µ и σ – математическое ожидание и среднеквадратическое отклонение (СКО) нормального распределения вероятностей.
В качестве математического ожидания берется значение функции y(x) в точке xi, а в качестве СКО – корень квадратный из дисперсии линии регрессии.
Для обнаружения дефектов и их размеров строятся границы доверительного интервала для регрессионной модели по формуле (3):
(3)
где 
– коэффициент Стьюдента для доверительной вероятности 95 % и (n-2) степеней свободы; 
.
После чего эти границы транслируются в вероятностную зависимость путем использования порога обнаружения и нормальной функции распределения вероятностей [1].
Критерием наличия дефекта является нарушение гладкости функции (выход значения амплитуды колебания в контролируемой точке за пределы доверительного интервала). Локализация дефекта и его размеры определяются местоположением и степенью нарушения гладкости.
Сущность изобретения поясняется чертежами. Для упрощения на чертежах в качестве проводящих инженерных коммуникаций показан трубопровод.
На фиг. 1 изображена блок-схема устройства, реализующего предлагаемый виброакустический способ оценки технического состояния проводящих инженерных коммуникаций. На фиг. 1 цифрами обозначены:
1 – персональный компьютер;
2 – цифро-аналоговый преобразователь;
3 – усилитель сигнала динамического излучателя;
4 – динамический излучатель;
5 – аналого-цифровой преобразователь
6 – чувствительный элемент;
7 – трубопровод.
На фиг. 2 изображено распространение волн Лэмба в оболочке исследуемого трубопровода : на фиг. 2(а) изображен трубопровод без дефектов, на фиг. 2 (б) трубопровод с дефектом в его оболочке. Цифрами на фиг.2 обозначены:
8– оболочка трубопровода;
9 – волны Лэмба;
10 – дефект в стенке трубопровода;
11 – резкое изменение амплитуды колебания в месте дефекта – нарушение гладкости функции.
На фиг. 3 изображен график распределения амплитуды колебания волны Лэмба по линии измерения при отсутствии дефектов в стенке трубопровода.
На фиг. 3 цифрами обозначены:
12 – линия графика распределения амплитуды колебания волны Лэмба по линии измерения;
13 – линии доверительного интервала;
14 – линия полинома.
На фиг. 4 изображён график распределения амплитуды колебания волны Лэмба по линии измерения амплитуд колебаний при наличии дефекта в оболочке трубопровода. Под цифрой 15 обозначена точка, где график распределения амплитуды колебания волны Лэмба по линии измерения выходит за пределы доверительного интервала, что свидетельствует о наличии дефекта в оболочке трубопровода в данной точке измерения.
На фиг. 3 и фиг. 4 по оси абсцисс откладывается амплитуда колебаний, по оси ординат расстояние от начала трубопровода.
Виброакустический способ оценки технического состояния проводящих инженерных коммуникаций реализуется следующим образом.
Динамический излучатель 4 генерирует акустические колебания в полости исследуемого трубопровода 7, с помощью которых возбуждаются в оболочке исследуемого трубопровода волны Лэмба. Диапазон исследуемых частот находится в интервале от 250 Гц до 15 кГц, из которого результативными являются резонансные частоты волн Лэмба исследуемого трубопровода.
Преобразование выходного сигнала персонального компьютера 1 производится с помощью цифро-аналогового преобразователя 2, а усиление сигнала динамического излучателя с помощью усилителя 3.
Чувствительный элемент 6 перемещается вдоль исследуемой поверхности, через заданные интервалы производится измерение параметров волн Лэмба. Измеренный сигнал от чувствительного элемента 6 через аналого-цифровой преобразователь 5 поступает в персональный компьютер для дальнейшего анализа и обработки. По полученным данным строится график распределения амплитуды колебания волны Лэмба по линии измерения 12, затем по этому графику строят полином 14 и находят доверительный интервал 13. Производится анализ полученных результатов: в точках, где график амплитуд колебаний трубопровода выходит за пределы доверительного интервала, находится зона дефекта. Данное утверждение основано на том, что в месте расположения дефекта происходит диссипация колебательной энергии.
Определение размера дефекта основывается на степени выхода графика амплитуды колебания трубопровода за пределы доверительного интервала.
[1] Чертищев В.Ю. Оценка вероятности обнаружения дефектов акустическими методами в зависимости от их размера в конструкциях из ПКМ для выходных данных контроля в виде бинарных величин // Авиационные материалы и технологии, №3 (52), DOI: 10.18577/2307-6046-2018-0-3-65-79.
Виброакустический способ оценки технического состояния проводящих инженерных коммуникаций, согласно которому осуществляют генерирование звуковых колебаний с резонансной частотой посредством динамического излучателя и регистрацию сигнала динамического излучателя посредством чувствительного элемента, отличающийся тем, что осуществляют генерирование волн Лэмба с резонансной частотой, находящейся в диапазоне от 250 до 15000 Гц, при этом регистрацию колебаний осуществляют через одинаковые интервалы по всей длине диагностируемого объекта, далее по результатам измерений, регистрируемых чувствительным элементом, строят график распределения амплитуды колебания волны Лэмба по линии измерения, производится анализ полученных результатов, в точках, где график амплитуд колебаний трубопровода выходит за пределы доверительного интервала, находится зона дефекта, а определение размера дефекта основывается на степени выхода графика амплитуды колебания трубопровода за пределы доверительного интервала.
