Способ определения координат дефектов при акустико-эмиссионном контроле

Авторы патента:

Бобров Алексей Леонидович (RU)

Бехер Сергей Алексеевич (RU)

Кутень Мария Михайловна (RU)

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

Владельцы патента RU 2775204:

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

Изобретение относится к неразрушающему контролю металлических конструкций методом акустической эмиссии и может быть использовано для определения координат дефектов в протяженных и крупногабаритных объектах железнодорожной, авиационной, космической, нефтяной и газовой отраслях промышленности при ограниченном доступе к ним. Сущность заключается в том, что на контролируемом изделии устанавливают преобразователи акустической эмиссии, не менее трех, на расстоянии между центрами преобразователей в группе, не превышающем минимальной длины акустической волны, изделие нагружают, принимают сигналы акустической эмиссии, генерируемые дефектом изделия, в группе для каждого сигнала определяют разность фаз между сигналами, зарегистрированными преобразователями, по которым определяют угол, характеризующий направление распространения волны, при этом определяют расстояние до дефекта по времени нарастания переднего фронта волны, а координаты дефекта определяют по определенным математическим выражениям. Технический результат: определение координат источника АЭ с использованием минимального количества приемных преобразователей при ограниченном доступе к объекту контроля при сохранении точности локации дефектов. 3 ил., 2 табл.

Известен способ определения координат источников сигналов акустической эмиссии (см. патент RU №2356043 от 27.06.2007), включающий установку n акустических преобразователей на конструкции, определение скорости распространения сигналов акустической эмиссии на конструкции и разности их времен прихода на акустические преобразователи, вычисление по ним координат источника сигналов акустической эмиссии, в зону, ограниченную пьезоантенной, устанавливается акустический преобразователь имитатора, а расчет времен прихода сигналов акустической эмиссии на акустические преобразователи, составляющие пьезоантенну, производится по отфильтрованным с использованием вейвлет-фильтрации сигналам, рассчитывается погрешность определения координат акустического преобразователя имитатора, подбираются пороговые значения по амплитуде коэффициентов для вейвлет-фильтрации, при которых погрешность определения координат акустического преобразователя имитатора принимает минимальное значение, изменяется частотный диапазон вейвлет-фильтрации до тех пор, пока погрешность определения координат акустического преобразователя имитатора не примет минимальное значение, после чего металлическая конструкция нагружается, а по полученным параметрам вейвлет-фильтрации производится фильтрация сигналов акустической эмиссии и определение их координат.

Недостатком данного способа является то, что координаты источника сигналов определяются по разности времен их прихода на акустические преобразователи, то есть необходимо использование нескольких преобразователей, составляющих пьезоантенну, что является ограничивающим фактором при контроле протяженных объектов.

Наиболее близким к предлагаемому решению является способ локации дефектов при акустико-эмиссионном контроле (см. патент RU №2586087 от 30.03.2015), заключающийся в том, что на контролируемом изделии устанавливают преобразователи акустической эмиссии, изделие нагружают, принимают сигналы акустической эмиссии, генерируемые дефектом изделия, преобразователи акустической эмиссии устанавливают на объект контроля группами не менее трех в каждой, на расстоянии между центрами преобразователей в группе, не превышающем минимальной длины акустической волны, в каждой группе для каждого сигнала определяют разность фаз между сигналами, зарегистрированными преобразователями, по которым определяют углы, характеризующие направления распространения волны относительно каждой группы преобразователей, а координаты дефектов определяют по формулам:

где L - расстояние между группами преобразователей, tan(α₁) и tan(α₁₁) - тангенсы углов направления распространения волны в группах преобразователей.

Недостатком способа, принятого за прототип, являются ограничения, связанные с необходимостью установки двух групп датчиков на объект контроля, что не всегда является возможным при ограниченном доступе к нему, например, защитный кожух.

Основной задачей изобретения является определение координат источника АЭ с использованием минимального количества приемных преобразователей при ограниченном доступе к объекту контроля.

Поставленная задача решается за счет того, что в предлагаемом способе определения координат дефектов при акустико-эмиссионном контроле, заключающемся в том, что на контролируемом изделии устанавливают преобразователи акустической эмиссии, не менее трех на расстоянии между центрами преобразователей в группе, не превышающем минимальной длины акустической волны, изделие нагружают, принимают сигналы акустической эмиссии, генерируемые дефектом изделия, на объект контроля устанавливают группу преобразователей акустической эмиссии не менее трех, в группе для каждого сигнала определяют разность фаз между сигналами, зарегистрированными преобразователями, по которым определяют угол, характеризующий направление распространения волны, при этом на изделие устанавливают только одну группу преобразователей акустической эмиссии и определяют расстояние до дефекта по времени нарастания переднего фронта волны, а координаты дефекта определяют по формулам

х_д=l⋅cosα₁,

y_д=l⋅sinα₁,

где l - расстояние от группы преобразователей до дефекта, мм,

sinα₁ и cosα₁ - синус и косинус угла направления распространения волны в группе преобразователей.

На Фиг. 1 представлен график формы сигнала от времени. На Фиг. 2 представлен график зависимости времени нарастания переднего фронта волны от расстояния от источника до приемного преобразователя. На Фиг. 3 представлена схема размещения группы преобразователей акустической эмиссии.

Способ реализуется следующим образом.

На контролируемом изделии устанавливают не менее трех преобразователей акустической эмиссии на расстоянии между центрами преобразователей, не превышающем минимальной длины акустической волны, в группе для каждого сигнала определяют разность фаз между сигналами, зарегистрированными преобразователями, по которым определяют угол, характеризующий направление распространения волны по формуле:

где ϕ₂₁ - разность фаз сигналов на преобразователях 2 и 1; ϕ₃₁ - разность фаз сигналов на преобразователях 3 и 1; затем изделие нагружают, принимают сигналы акустической эмиссии, генерируемые дефектом изделия, и определяют расстояние до дефекта по времени нарастания переднего фронта волны, а координаты дефекта определяют по формулам:

где l - расстояние от группы преобразователей до дефекта, мм;

sinα₁ и cosα₁ - синус и косинус угла направления распространения волны в группе преобразователей.

Пример 1

Экспериментальные исследования проводили на сосуде давления, изготовленного из стали 20 и имеющего размеры: длина 1150 мм, диаметр днища 219 мм, толщина днища 45 мм, толщина стенки обечайки 5 мм.

Предварительно перед началом проведения контроля экспериментальным путем определяли время нарастания переднего фронта волны в зависимости от расстояния на образце, имеющем аналогичные с контролируемым объектом форму и материал. Для этого на известном расстоянии от преобразователей с помощью имитатора Су-Нильсена (излом карандаша) создавали акустическую волну и регистрировали ее приемными преобразователями.

Затем на исследуемом объекте была проведена серия экспериментов, имитирующих рост трещины. На сосуд устанавливали преобразователи акустической эмиссии, чувствительность которых калибровали с помощью имитатора Су-Нильсена (излом карандаша). Данные приведены в таблице 1.

Затем строили экспериментальную зависимость времени нарастания переднего фронта волны от расстояния от источника до приемного преобразователя (см. Фиг. 2).

После этого сосуд нагружали гидравлически до максимального давления 10 МПа с помощью насосной станции со скоростью 3-5 МПа/мин и регистрировали сигналы акустико-эмиссионной системой СЦАД 16.03 (свидетельство RU.C.27.007.A №39729, зарегистрировано в Государственном реестре средств измерений №18892-10). Сигналы, зарегистрированные преобразователями, передаются в компьютер, где строятся графики форм сигналов от времени. В компьютере реализован алгоритм определения разности фаз в группе преобразователей с помощью корреляционной функции по положению максимума корреляционной функции сигналов. С преобразователей группы определяли разность фаз между преобразователями 2 и 1, 3 и 1, которые составили: ϕ₂₁=0 рад, ϕ₃₁=1,4⋅π рад. Экспериментально определенные разности фаз приведены в табл. 1. Далее компьютер в каждой группе преобразователей вычисляет значение угла распространения волны α₁ (данные в таблице 1) по формуле 1.

По графику определяли время нарастания переднего фронта волны (см. Фиг. 1). Время нарастания переднего фронта волны определяли по разности времени, когда наступил пик по амплитуде, и времени, когда началось колебание:

- полклетки в мкс;

t₁=1100+12,5=1112,5 мкс - время наступления пика по амплитуде;

t₀=900+12,5=912,5 мкс - время начала колебания;

t=t₁-t₀=1112,5-912,5=200 мкс - время нарастания переднего фронта волны.

По экспериментальной зависимости времени нарастания переднего фронта волны от расстояния от источника до приемного преобразователя (полученной при калибровке чувствительности каналов) находили расстояние от преобразователя до дефекта (см. Фиг. 2).

После чего согласно размещенной группе преобразователей акустической эмиссии на объекте (см. Фиг. 3) вычисляются координаты дефекта x_д и y_д в соответствии с формулами 2, 3. Данные сведены в табл. 1.

Данные были обработаны по алгоритму, содержащемуся в документе А02.411709.001 МП «Системы цифровые акустико-эмиссионные диагностические модификаций СПАД-16.02 и СПАД-16.03. Методика поверки» (утвержден ФГУП «СНИИМ» 12 сентября 2018 г.). Результаты обработки данных сведены в табл. 2.

Согласно табл. 2 допускаемая относительная основная погрешность измерений координат дефекта не превышает 3%.

Свидетельством того, что определение расстояния от источника сигнала до приемного преобразователя возможно по времени нарастания переднего фронта волны, является вычисленный R - коэффициент детерминации, который равен 0,993 (см. Магнус Я.Р., Катышев П.К., Пересецкий А.А. Эконометрика. Начальный курс. М., Издательство Дело, 2004. - 576 с.) и это дает возможность использовать полученную модель для определения любых расстояний до дефекта по времени нарастания переднего фронта волны.

R - коэффициент детерминации (показывает долю вариации результативного признака t под влиянием факторного признака l, связан с коэффициентом корреляции квадратичной зависимостью, при отсутствии связи равен нулю, при функциональной связи - единице).

l - расстояние от источника до приемного преобразователя, мм (значения приведены в табл. 1).

t - время нарастания переднего фронта волны, мкс (значения приведены в табл. 1).

Способ определения координат дефектов при акустико-эмиссионном контроле, заключающийся в том, что на контролируемом изделии устанавливают группу преобразователей акустической эмиссии на расстоянии между центрами преобразователей, не превышающем минимальной длины акустической волны, в группе для каждого сигнала определяют разность фаз между сигналами, зарегистрированными преобразователями, по которым определяют угол, характеризующий направление распространения волны, изделие нагружают, принимают сигналы акустической эмиссии, генерируемые дефектом изделия, отличающийся тем, что на изделие устанавливают не менее трех преобразователей акустической эмиссии и определяют расстояние до дефекта по времени нарастания переднего фронта волны, а координаты дефекта определяют по формулам:

x_д=l⋅cosα₁;

y_д=l⋅sinα₁;

где l - расстояние от группы преобразователей до дефекта, мм;

sinα₁ и cosα₁ - синус и косинус угла направления распространения волны в группе преобразователей.

Изобретение относится к инженерно-геологическим изысканиям, в частности к способам определения изменения устойчивости грунтовых оснований, подвергнутых химико-физическому закреплению. В заявленном способе в грунтовом основании размещают излучатели упругих волн и зонды, каждый из которых содержит нагревательный элемент, приемный акустический преобразователь и термометр.

Способ дефектоскопии металлов по акустическим шумам // 2774101

Использование: для дефектоскопии металлов по акустическим шумам. Сущность изобретения заключается в том, что регистрируют на исследуемом участке металла шумовые записи с высокой частотой дискретизации, полученные шумовые записи разбивают на фрагменты, затем делают преобразование Фурье в этих фрагментах, вычисляя их амплитудно-частотные спектры, затем в полученных амплитудно-частотных спектрах для каждой точки регистрации шумовых данных вычисляют мощность зарегистрированного сигнала путем интегрального суммирования его спектра во временном окне, одинаковом по длине записи и меньшем, чем длина самой короткой шумовой записи, и по уменьшению мощности суммарного сигнала относительно общей площади измерения устанавливают наличие участка с внутренним дефектом.

Способ определения стадий циклической усталости и остаточного ресурса металлических изделий // 2772839

Использование: для определения стадий циклической усталости и остаточного ресурса металлических изделий с использованием метода акустической эмиссии и метода магнитной памяти металла. Сущность изобретения заключается в том, что выполняют определение параметров напряженности магнитного поля методом магнитной памяти металла и параметров сигналов акустической эмиссии в процессе испытаний на циклическую усталость и устанавливают взаимосвязь между этими параметрами.

Устройство сбора и обработки сигналов акустической эмиссии // 2769643

Использование: для сбора и обработки сигналов акустической эмиссии. Сущность изобретения заключается в том, что устройство сбора и обработки сигналов акустической эмиссии содержит датчики акустической эмиссии, платы аналого-цифрового преобразования, при этом платы аналого-цифрового преобразования установлены в PCI разъемы материнских плат двух пользовательских компьютеров, соединенных между собой линией низкочастотной синхронизации, при этом один из компьютеров является ведущим, другой - ведомым, также устройство отличается тем, что датчики акустической эмиссии соединены с блоками согласования, которые подключены к измерительным каналам плат аналого-цифрового преобразования, при этом платы аналого-цифрового преобразования объединены линией высокочастотной синхронизации, подключенной к каналам синхронизации плат аналого-цифрового преобразования.

Способ определения опасных мест обрыва металлических тросов и капроновых фалов, и устройство для предотвращения аварий при спуско-подъемных операциях // 2767280

Использование: для предотвращения аварий при спуско-подъемных операциях. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для предотвращения аварий при спуско-подъемных операциях содержит лебедку, трос, который проходит через шкив п-рамы и связан с грузом, при этом трос барабана лебедки последовательно проходит через первый тормоз троса, первый тестовый шкив, второй тестовый шкив и второй тормоз троса, причем в оси первого и второго тестовых шкивов вмонтированы акустические датчики, соединенные с анализатором спектра, подключенным к исполнительному устройству, выходы которого соединены с первым и вторым тормозами троса и приводом барабана лебедки, а второй вход исполнительного устройства соединен с пультом управления, подключенным также к анализатору спектра.

Способ обработки неоднородных гидросред (жидкостей) // 2767096

Изобретение относится к технологии ультраструйной обработки, диагностики материалов и к приготовлению активированных суспензий и может быть использовано в различных отраслях промышленности: горной, химической, металлургической и др. Способ обработки заключается в совмещении процесса диспергирования твердой фазы с процессом образования суспензии путем воздействия на твердую фазу струи жидкости.

Способ комплексного анализа информативных параметров при акустико-эмиссионной диагностике конструкций // 2764957

Использование: для комплексного анализа информативных параметров при акустико-эмиссионной диагностике конструкций. Сущность изобретения заключается в том, что объект контроля подвергают механической нагрузке, на места контроля устанавливают преобразователи акустической эмиссии, с помощью которых преобразуют упругие механические волны в электрические сигналы, которые подают на аналого-цифровой преобразователь, с помощью которого формируют выходной код, затем вычисляют информативные параметры сигналов акустической эмиссии с помощью специальных блоков вычисления, значения информативных параметров регистрируют и оценивают с помощью устройства отображения информации, при этом включают блок объединения («свертки») информативных параметров, все выходы блоков вычисления соединяют с входом блока объединения («свертки») информативных параметров, выход которого подключают к устройству отображения информации, причем объединение («свертка») значений информативных параметров производится по заданной формуле.

Способ контроля прочности оптического волокна // 2762885

Изобретение относится к области неразрушающего контроля прочности оптических волокон из плавленого кварцевого стекла. Сущность: на контролируемый объект оказывают акустическое воздействие на первой частоте и на второй частоте, измеряют сигнал нелинейной акустической эмиссии на разностной частоте и по результатам обработки данных измерений оценивают степень разрушения контролируемого объекта.

Способ выполнения монтажных соединений на высокопрочных болтах с контролируемым натяжением // 2760546

Изобретение относится к области соединения деталей несущих и ограждающих конструкций. Технический результат заключается в возможности применения сплошного контроля болтов в процессе выполнения болтовых соединений за возможным ростом трещин.

Многоканальная акустико-эмиссионная система контроля силовых элементов конструкций // 2760344

Использование: для контроля силовых элементов конструкций посредством акустической эмиссии. 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, устройство отображения информации; параллельно соединенные: блок вычисления инвариантов временных интервалов импульсов акустической эмиссии и два блока вычисления инвариантов числа импульсов акустической эмиссии, входы которых объединены со входом блока вычисления известных акустико-эмиссионных критериев, а выходы соединены с соответствующими входами устройства отображения информации, при этом дополнительно введены последовательно соединенные блок управления углом установки преобразователя акустической эмиссии, элемент сравнения заданного и действительного угла установки преобразователя акустической эмиссии, регулятора угла установки преобразователя акустической эмиссии, а также на преобразователь акустической эмиссии установлен датчик угла его установки.

Способ оценки качества упрочняющих технологий // 2775855

Использование: для оценки качества упрочняющих технологий. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют нагружение и регистрацию числа импульсов акустической эмиссии, выполняют определение параметра состояния и расчёт величины диагностического параметра с дальнейшим сравнением величин, при этом высокочастотные датчики акустической эмиссии устанавливают с двух сторон на образцы и производят плавное нагружение изделия в области упругих деформаций, нагружение контролируют блоком управления и записывают значения механических напряжений на персональном компьютере, далее прекращают нагружение и строят графики зависимости числа импульсов акустической эмиссии от механических напряжений, затем выделяют этап однородного разрушения, который следует за частичным или полным затуханием сигналов акустической эмиссии и заканчивается резким ростом коэффициента перекрытия сигналов акустической эмиссии, на котором определяют значение параметра состояния, выраженного в виде концентрационно-кинетического показателя прочности YAE как параметра многоуровневой модели временной зависимости числа импульсов акустической эмиссии по заданной формуле, далее рассчитывают допустимое значение углового коэффициента кривой усталости Yr и сравнивают со значением величин концентрационно-кинетического показателя прочности YAE, если YAE /Yr ≤ 1, то упрочняющая технология выполнена качественно, а при YAE /Yr > 1 - некачественно. Технический результат: повышение точности оценки качества упрочняющей технологии. 3 ил.