Способ определения геометрических координат преобразователей акустической эмиссии

Изобретение относится к технической диагностике и неразрушающему контролю промышленных объектов с использованием метода акустической эмиссии (АЭ). Техническим результатом изобретения является упрощение и ускорение процесса диагностирования объектов сложной формы и повышение точности в определении координат. Способ определения геометрических координат преобразователей АЭ заключается в том, что сначала по очереди каждый из установленных на объекте преобразователей АЭ излучает акустические сигналы, при этом остальные преобразователи АЭ принимают эти сигналы, а затем акустико-эмиссионная система на основе временных параметров сигналов, каждый из которых был излучен и/или принят преобразователем АЭ, у которого известна хотя бы одна из его геометрических координат, вычисляет неизвестные геометрические координаты преобразователей АЭ. Дополнительно при вычислении неизвестных геометрических координат преобразователей АЭ используются временные параметры, относящиеся, по меньшей мере, к одному сигналу, излученному каким-либо преобразователем АЭ, у которого все геометрические координаты неизвестны, и принятому каким-либо другим преобразователем АЭ, у которого все геометрические координаты неизвестны. 5 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области технической диагностики и неразрушающего контроля объектов по сигналам акустической эмиссии (АЭ) и используется для определения геометрических координат преобразователей акустической эмиссии (ПАЭ), установленных на крупногабаритных объектах - трубопроводах, нефтехранилищах, резервуарах, сосудах давления, буровых платформах, мостах, атомных и химических реакторах и других инженерных сооружениях.

Известен способ определения геометрических координат, заключающийся в том, что их определяют при помощи измерительного инструмента, например рулетки [1].

Недостатком данного способа является его трудоемкость, вызванная необходимостью проведения большого количества измерений на крупногабаритном объекте с помощью измерительного инструмента, в особенности, когда объект обладает сложной формой.

Наиболее близким по технической сущности является способ определения координат ПАЭ, установленных на объекте контроля [2], заключающийся в том, что по очереди каждый ПАЭ излучает некоторое количество акустических сигналов. Акустико-эмиссионная система (АЭ-система) регистрирует временные параметры каждого сигнала. Затем АЭ-система на основе временных параметров сигналов, каждый из которых был излучен и/или принят преобразователем АЭ, у которого известна хотя бы одна из его геометрических координат, вычисляет неизвестные геометрические координаты преобразователей АЭ.

Недостатком данного способа является низкая точность определения координат ПАЭ из-за неизбежных погрешностей определения временных параметров сигнала, а также из-за приема шумовых и переотраженных сигналов. Невозможно использовать данный способ на объектах сложной геометрической формы. Кроме того, реализация указанного способа возможна лишь на том акустико-эмиссионном оборудовании, которое имеет возможность определения время излучения сигнала.

Задачей заявленного изобретения является следующее:

- определение координат ПАЭ, установленных на крупногабаритном объекте, в особенности сложной формы;

- упрощение и ускорение процесса диагностирования методом АЭ;

- увеличение точности определения координат ПАЭ;

- определение координат ПАЭ при использовании АЭ-систем, не позволяющих определять время излучения сигнала, т.е. при использовании АЭ-систем II, III и IV класса [3].

В предлагаемом способе технический результат достигается тем, что сначала по очереди каждый из установленных на объекте преобразователей АЭ излучает акустические сигналы, при этом остальные преобразователи АЭ принимают эти сигналы. Затем акустико-эмиссионная система на основе временных параметров набора сигналов, каждый из которых был излучен и/или принят преобразователем АЭ, у которого известна хотя бы одна из его геометрических координат, вычисляет неизвестные геометрические координаты преобразователей АЭ. Дополнительно при вычислении неизвестных геометрических координат преобразователей АЭ используются временные параметры, относящиеся, по меньшей мере, к одному сигналу, излученному каким-либо преобразователем АЭ, у которого все геометрические координаты неизвестны, и принятому каким-либо другим преобразователем АЭ, у которого все геометрические координаты неизвестны.

В качестве временных параметров сигнала используются времена прохождения сигнала между излучающим и принимающими преобразователями АЭ или разности времен прихода сигнала на принимающие преобразователи АЭ.

Время прихода сигнала на принимающий преобразователь АЭ определяется по моменту пересечения принятым сигналом заданного порогового уровня или по моменту достижения принятым сигналом максимального значения или при помощи анализа осциллограммы принятого сигнала

Время прохождения сигнала между излучающим и принимающим преобразователем АЭ определяется путем вычисления разности между временем прихода и временем излучения сигнала или вычисляется из осциллограммы принятого сигнала.

Форма излучаемых сигналов задается программно.

Проводится фильтрация шумовых и переотраженных сигналов.

Способ определения геометрических координат ПАЭ, установленных на объекте, заключается в следующем.

Из общего числа N установленных на объекте контроля преобразователей АЭ выбирается некоторое число М преобразователей АЭ, причем М<N. Далее с каждым из выбранных ПАЭ проводится следующая операция: либо он используется в качестве базиса для построения системы координат (ниже описывается случай использования трехмерных декартовых координат, однако в зависимости от геометрической формы объекта возможно использование более подходящих координат: двухмерных декартовых, полярных, сферических, цилиндрических и т.п.), в результате чего все координаты или часть координат этого ПАЭ становятся известными, либо все или часть его геометрических координат (например, все трехмерные декартовы координаты преобразователя АЭ x, y, z или их часть, например, только координата z) относительно характерных мест на объекте контроля (сварных швов, стыков, самой верхней или самой нижней точки объекта и т.п.) или других преобразователей АЭ определяются при помощи измерительных инструментов (например, рулетки). Далее выбранные ПАЭ, у которых все координаты или часть координат известны, для краткости называются опорными, остальные К ПАЭ, где K=N-M, у которых ни одна координата не известна, называются не опорными.

Выбор опорных преобразователей АЭ осуществляется исходя из соображений удобства определения геометрических координат этих ПАЭ на объекте измерительными инструментами или удобства использования этих ПАЭ в качестве базиса для построения системы координат.

Минимальное количество опорных ПАЭ зависит от геометрической формы объекта (плоскость, шар, цилиндр, эллипсоид и т.д.) и может находиться в диапазоне от 2 до 4. Например, для шара и цилиндра минимальным количеством ПАЭ является 3, для одномерной локации на протяженном трубопроводе достаточно 2 ПАЭ.

Для удобства все ПАЭ нумеруются числами от 1 до N, при этом опорным ПАЭ присваиваются номера от 1 до М.

Известные координаты ПАЭ вносятся в ОЗУ или ПЗУ АЭ-системы.

Далее один из N ПАЭ излучает несколько акустических сигналов, число которых может варьироваться от 1 до 100, в это же время все остальные ПАЭ эти сигналы принимают. Затем такая операция излучения-приема повторяется с другими ПАЭ до тех пор, пока каждый из N ПАЭ не выступит в качестве излучающего. АЭ-система регистрирует и записывает в ОЗУ или ПЗУ временные параметры сигналов.

Сигналы, излученные опорными ПАЭ и принятые опорными ПАЭ, излученные опорными ПАЭ и принятые не опорными ПАЭ, излученные не опорными ПАЭ и принятые опорными ПАЭ, излученные не опорными ПАЭ и принятые не опорными ПАЭ для краткости дальше называются соответственно OO-, ОН-, НО- и НН-сигналами.

При наличии у АЭ-системы технической возможности производится сбор других, помимо временных, АЭ-параметров - осциллограмм, энергий, амплитуд сигналов и т.п.

Для более точного определения временных параметров принятого сигнала форма излучаемого сигнала может задаваться программно, например, может использоваться хорошо локализованный и по времени, и по частоте сигнал вида , где t - время, ω, t₀, σ - дополнительные параметры излучаемого сигнала.

Для дальнейших расчетов необходимо знать значение скорости акустического сигнала V в контролируемом объекте. Определение этой величины возможно либо при помощи справочника, либо, например, стандартным для практики акустической эмиссии способом - на основе разностей времен прихода сигнала на 2 ПАЭ, отстоящих друг от друга на известное расстояние и лежащих на одной линии с излучающим ПАЭ или имитатором АЭ-сигналов.

Далее на основе записанных временных параметров, известных координат ПАЭ и значения скорости акустического сигнала V АЭ-система производит вычисление неизвестных координат ПАЭ. Это осуществляется следующим образом.

Сначала производится предварительная обработка временных параметров, которая в результате дает набор расстояний или набор разностей расстояний между различными ПАЭ. Для этого выполняется следующее.

Если имеется техническая возможность, у каждого принятого сигнала определяется его время прохождения Δt_ВП, т.е. время, за которое акустический сигнал преодолел расстояние между ПАЭ, который излучил сигнал, и ПАЭ, который принял сигнал. Для этого либо вычисляется разность между временем прихода t_{прихода} сигнала на принявший ПАЭ и временем ближайшего предшествовавшего ему излучения t_{излучение}, т.е. Δt_ВП=t_{прихода}-t_{излучения}, либо времена прохождения Δt_ВП вычисляются при помощи анализа осциллограмм принятых сигналов, например, путем построения спектрограмм, выделения отдельных мод акустического сигнала и последующего их сравнения с теоретическими дисперсионными кривыми [4].

В случае, когда определение времен прохождения Δt_ВП невозможно или затруднено, например, при использовании акустико-эмиссионного оборудования, которое не имеет технической возможности регистрации времени излучения сигнала и записи осциллограмм сигналов, для дальнейших вычислений используются только времена прихода сигнала (РВП) на принимающие ПАЭ. Для каждого излучения на основе времен прихода сигнала на все принявшие ПАЭ вычисляются разности времен прихода Δt_РВП между всеми парами принявших сигнал ПАЭ.

При этом время прихода сигнала на принимающий ПАЭ может определяться различными способами: по моменту пересечения амплитудой принятого сигнала уровня порога, или по моменту достижения амплитудой принятого сигнала максимального значения, или при помощи анализа осциллограммы принятого сигнала [5].

Как правило, количество зарегистрированных сигналов превышает минимально необходимое для производства расчетов, в результате чего имеется возможность отфильтровать (то есть исключить из дальнейших расчетов) часть сигналов, с целью отсеять шумовые и переотраженные сигналы и таким образом дополнительно повысить точность определения координат ПАЭ. Можно использовать либо все описанные ниже фильтры, либо часть из них. Это зависит от сложности геометрической формы и от размеров объекта, степени затухания акустических сигналов в объекте, количества и диапазона скоростей распространяющихся в объекте мод акустического сигнала и других факторов.

Могут отфильтровываться слабые по сравнению с другими сигналы, т.е. сигналы, имеющие минимальные значения энергии или пиковой амплитуды.

Отфильтровываются, при необходимости, все сигналы, кроме тех, которые первыми после излучения пришли на каждый из принимающих ПАЭ.

В случае использования в расчетах времен прохождения Δt_ВП могут отфильтровываться сигналы, у которых время прохождения Δt_ВП превышает теоретически рассчитанное время, необходимое акустическому сигналу для прохождения расстояния между двумя максимально удаленными точками на объекте.

Кроме того, в случае использования в расчетах времен прохождения Δt_ВП для каждого значения i и j из диапазона от 1 до N может проводиться следующее действие: если значения времен прохождения Δt_ВП, соответствующие всем случаям, когда i-й ПАЭ излучал и j-й ПАЭ принимал сигнал или j-й ПАЭ излучал и i-ый ПАЭ принимал сигнал, имеют сильный разброс значений между собой, например, более чем на 10%, то все эти времена прохождения Δt_ВП отфильтровываются. В случае использования в расчетах разностей времен прихода Δt_РВП для каждых i, j и k проводится следующее действие: если значения разностей времен прихода сигнала на i-й ПАЭ и j-й ПАЭ, соответствующие всем случаям, когда k-й ПАЭ излучал, имеют сильный разброс значений между собой, например, более чем на 10%, то все эти разности времен прихода Δt_РВП отфильтровываются.

В случае использования в расчетах времен прохождения Δt_ВП могут отфильтровываться сигналы с относительно большим по сравнению с единицей отношением времени нарастания амплитуды сигнала от пересечения порога до максимального значения («rise-time») ко времени прохождения Δt_ВП, что позволяет исключить из расчетов значительное количество сигналов без выраженной формы, предположительно являющихся шумовыми или переотраженными.

В случае использования времен прохождения Δt_ВП для каждого значения i и j из диапазона от 1 до N все значения времен прохождения Δt_ВП, соответствующие случаям, когда i-й ПАЭ излучал и j-й ПАЭ принимал сигнал или j-й ПАЭ излучал и i-й ПАЭ принимал сигнал, усредняются, получившееся усредненное значение времени прохождения обозначается Δt_i,j=Δt_i,j. Затем все усредненные времена прохождения Δt_i,j, умножаются на скорость акустического сигнала V в объекте, в итоге получается имеющая размер N×N матрица S^Э экспериментально измеренных расстояний между всеми парами ПАЭ по объекту контроля:

Необходимо отметить, что при этом элементы S^Э, полученные от сигналов различных типов, расположатся в матрице по зонам подобным образом:

Далее для отсеивания вызванных шумовыми и переотраженными сигналами ошибок определения расстояний может быть проведена фильтрация на соответствие измеренных расстояний геометрическим критериям, например, проверка на соответствие их неравенству треугольника: для любых i, j, k из диапазона от 1 до N должно выполняться неравенство . Не удовлетворяющие данному неравенству элементы матрицы S^Э отфильтровываются и далее считаются не имеющими определенного значения.

В случае использования разностей времен прихода для каждых i, j и k из диапазона от 1 до N все значения разностей времен прихода сигнала на i-й ПАЭ и j-й ПАЭ, соответствующие случаям, когда k-й ПАЭ излучал, усредняются, получившееся усредненное значение разности времен прихода обозначается Δt_i,j,k. Затем все усредненные разности времен прихода Δt_i,j,k умножают на скорость акустического сигнала V в объекте, в итоге получится имеющая размер N×N×N трехмерная матрица S^Э экспериментально измеренных разностей расстояний по объекту контроля между всеми тройками ПАЭ. При этом элементы S^Э, полученные от сигналов различных типов, также расположатся в матрице по OO-, НО-, ОН- и НН-зонам.

Некоторые элементы матрицы S^Э могут остаться не имеющими определенного значения из-за работы фильтров или в результате того, что не все излученные сигналы были приняты другими ПАЭ, например, из-за сильного затухания сигнала. При этом ставится следующее обязательное условие: необходимо, чтобы, по крайней мере, 1 элемент матрицы S^Э, соответствующий НН-сигналам, имел определенное значение. Если оказывается, что это условие не выполняется, вычисления повторяются без использования части фильтров или всех фильтров, или проводится повторная серия излучений с увеличенной амплитудой излученных сигналов с последующими вычислениями.

В представляющей наибольший практический интерес ситуации, когда количество ПАЭ с известными координатами М мало по сравнению с общим количеством ПАЭ N, большинство элементов матрицы S^Э соответствует НН-сигналам. Поэтому использование в расчетах НН-сигналов в дополнение к применяемым в прототипе [2] ОО-, ОН- и НО-сигналам повысит точность определения координат ПАЭ по сравнению с прототипом - за счет повышения числа используемых в расчетах экспериментальных данных, что позволяет за счет усреднения уменьшить ошибки, вызванные неизбежными погрешностями определения временных параметров каждого отдельного сигнала. Однако требования использования в расчетах НН-сигналов делает невозможным применяемое в прототипе аналитическое решение. Поэтому для решения необходимо использовать другие методы.

Для того чтобы из матрицы расстояний или разностей расстояний S^Э получить неизвестные координаты ПАЭ, необходимо использовать зависящую от геометрии объекта функцию R(С), которая по набору координат точек на объекте

вычисляет либо - если используется метод времен прохождения - имеющую размер N×N матрицу расстояний между любыми парами этих точек: ее i, y-й элемент является вычисленным расстоянием между точками, имеющими координаты, стоящие в i-й и j-й строках матрицы С, либо - если используется метод РВП - имеющую размер N×N×N трехмерную матрицу разностей расстояний между всеми тройками точек, в этом случае i, j, k-й элемент R(C) является вычисленной разницей расстояний между точками, имеющими координаты, стоящие в i-й и k-й строках матрицы С и точками, имеющими координаты, стоящие в j-й и k-й строках матрицы С.

В первые М строк матрицы С заносятся известные координаты опорных ПАЭ. Сравнивая S^Э и R(C) и варьируя соответствующие неизвестным координатам ПАЭ компоненты матрицы С, АЭ-система при помощи, например, метода итераций, вычисляет остальные компоненты матрицы С, добиваясь, чтобы норма невязки между матрицами S^Э и R(C) была минимальна. При этом не имеющие определенного значения элементы матрицы S^Э при расчетах невязки не учитываются. Полученные в результате компоненты матрицы С - это неизвестные ранее координаты ПАЭ.

Модифицируя функцию R(С), можно за счет универсальности метода итераций реализовать предложенный способ на объектах различной геометрической формы, в т.ч. и достаточно сложной.

Результаты расчетов при необходимости визуализируются. Полученные координаты ПАЭ используются для обычной работы АЭ-системы по поиску и локации дефектов в объекте контроля.

Экспериментальная проверка проводилась на металлических конструкциях с использованием многоканальной акустико-эмиссионной системы «Лель /A-Line 32D (DDM)/» производства ООО «ИНТЕРЮНИС» г.Москва. Опыты, проведенные на сфере диаметром 10 м, показали, что заявленный способ позволяет определять координаты ПАЭ со средней ошибкой, равной 1.7-3.6% от характерного расстояния между ПАЭ, а погрешность локации источника АЭ при использовании определяемых предложенным способом координат ПАЭ не превышает 5% от расстояния между преобразователями, что позволяет удовлетворить отраслевым требованиям [6].

Заявляемый способ позволяет автоматизировать процесс определения геометрических координат ПАЭ на объектах различной формы, ускорить процесс выполнения работ по диагностированию потенциально опасных объектов и увеличить точность определения координат ПАЭ.

Список литературы

1. «Меры длины» // Большая советская энциклопедия. В 30 т. Гл. ред. Прохоров А.М., 3-е изд. М., 1974, Советская энциклопедия. Т.16, стр.100.

2. Степанова Л.Н., Тимофеев Д.И., Кареев А.Е., Кабанов С.И., Харламов Б.М. Многоканальная акустико-эмиссионная система с автоматическим контролем качества установки датчиков. // Журнал «Контроль. Диагностика» №4, 2005 г., стр.6-15.

3. Требования к преобразователям акустической эмиссии, применяемым для контроля опасных производственных объектов РД 03-299-99 (утв. постановлением Госгортехнадзора России от 15.07.99, №53). Глава 3. Классификация средств акустико-эмиссионного контроля.

4. Cole Phil, Miller Scott. Use of advanced A.E. analysis for source discrimination using captured waveforms. 3rd Middle East Nondestructive Testing Conference & Exhibition. 27-30, Nov 2005, Bahrain, Manama.

http://www.ndt.net/article/mendt2005/pdf/30.pdf

5. Барат В.А., Алякритский А.Л. Статистический метод обработки сигналов акустической эмиссии и их параметров для повышения достоверности результатов контроля. // Материалы XVII Российской научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и диагностика». 6-9 сентября 2005 г., Екатеринбург, Уральский Государственный Технический Университет - УПИ.

6. Правила организации и проведения акустико-эмиссионного контроля сосудов, аппаратов, котлов и технологических трубопроводов. ПБ 03-593-03 (утв. постановлением Госгортехнадзора РФ от 9 июня 2003 г., №77). Глава 4.2 «Акустико-эмиссионная аппаратура».

1. Способ определения геометрических координат преобразователей акустической эмиссии (АЭ), заключающийся в том, что сначала по очереди каждый из установленных на объекте преобразователей АЭ излучает акустические сигналы, при этом остальные преобразователи АЭ принимают эти сигналы, а затем акустико-эмиссионная система на основе временных параметров сигналов, каждый из которых был излучен и/или принят преобразователем АЭ, у которого известна хотя бы одна из его геометрических координат, вычисляет неизвестные геометрические координаты преобразователей АЭ, отличающийся тем, что дополнительно при вычислении неизвестных геометрических координат преобразователей АЭ используются временные параметры, относящиеся, по меньшей мере, к одному сигналу, излученному каким-либо преобразователем АЭ, у которого все геометрические координаты неизвестны, и принятому каким-либо другим преобразователем АЭ, у которого все геометрические координаты неизвестны.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве временных параметров сигнала используются времена прохождения сигнала между излучающим и принимающими преобразователями АЭ или разности времен прихода сигнала на принимающие преобразователи АЭ.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что время прихода сигнала на принимающий преобразователь АЭ определяется по моменту пересечения принятым сигналом заданного порогового уровня или по моменту достижения принятым сигналом максимального значения или при помощи анализа осциллограммы принятого сигнала,

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что время прохождения сигнала между излучающим и принимающим преобразователем АЭ определяется путем вычисления разности между временем прихода и временем излучения сигнала или вычисляется из осциллограммы принятого сигнала.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что форма излучаемых сигналов задается программно.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что проводится фильтрация шумовых и переотраженных сигналов.