10.4. Аппаратура аэ контроля

Структура аппаратуры АЭ контроля определяется следующими основными задачами: прием и идентификация сигналов АЭ, их уси­ление и обработка, определение значений параметров сигналов, фиксация результатов и выдача информации. Аппаратура различается степенью сложности, назначением, транспортабельностью, а также классом в зависимости от объема получаемой информации. Наибольшее распространение нашла многоканальная аппаратура, позволяющая наряду с параметрами АЭ определять координаты ис­точников сигналов с одновременной регистрацией параметров испы­таний (нагрузка, давление, температура и пр.). Функциональная схе­ма такой аппаратуры приведена на рис. 10.5.

Амплитуда локаций:

• 43...45ДБ

*45...49дБ

■ 49...52 дБ

о52...56дБ

х56...59дБ

а - место установки ПАЭ

Амплитуда локаций:

• 43...45ДБ

*45...49дБ

■ 49...52 дБ

о52...56дБ

х56...59дБ

а - место установки ПАЭ

Рис. 10.5. Функциональная схема аппаратуры АЭ контроля

В состав аппаратуры входят соединенные кабельными линиями следующие основные элементы: 1 - преобразователи акустической эмиссии (ПАЭ); 2 - предварительные усилители; 3 - частотные фильтры; 4 - основные усилители; 5 - блоки обработки сигналов; 6 - основной процессор обработки, хранения и представления ре­зультатов контроля; 7- пульт управления (клавиатура); 8 - видео­монитор; 9 - датчики и кабельные линии параметрических ка­налов.

Элементы аппаратуры 3 - 8, как правило, конструктивно выпол­няются в виде одного блока (показано на рис. 10.5 пунктиром) на базе портативного компьютера.

Преобразователь акустической эмиссии служит для преобразова­ния упругих акустических колебаний в электрические сигналы и яв­ляется важнейшим элементом аппаратного комплекса АЭ контроля. Наибольшее распространение нашли пьезоэлектрические ПАЭ, схе­ма которых мало отличается от пьезопреобразователей (ПЭП), ис­пользуемых при проведении ультразвукового контроля.

По конструкции различают следующие виды ПАЭ:

• однополюсный и дифференциальный;

• резонансный, широкополосный или полосовой;

• совмещенный с предусилителем или несовмещенный.

По уровню чувствительности ПАЭ разделяются на четыре класса (1 - 4-й), по частотным диапазонам - на низкочастотные (до 50 кГц), стандартные промышленные (50...200 кГц), специальные промыш­ленные (200...500 кГц) и высокочастотные (более 500 кГц). Затухание упругих колебаний снижается с уменьшением их частоты, поэтому низкочастотные ПАЭ используют прежде всего при контроле протя­женных объектов, например трубопроводов и объектов с высоким затуханием колебаний.

Специальные ПАЭ применяют для контроля малых объектов с длиной до 1 м, высокочастотные - при проведении лабораторных исследований.

В зависимости от амплитудно-частотной характеристики разли­чают ПАЭ резонансные (полоса пропускания 0,2 F_р, где F_р - рабочая частота ПАЭ), полосовые (полоса пропускания 0,2...0,8 F_р) и широ­кополосные (полоса пропускания более 0,8 F_р).

Основное отличие ПАЭ от прямых ПЭП заключается в особен­ностях демпфирования, необходимого для гашения свободных соб­ственных колебаний пьезопластины, а также в толщине самой пьезо-пластины. Тыльная сторона пьезопластины ПАЭ может оставаться свободной или частично или полностью задемпфированной.

Одной из основных характеристик ПАЭ является коэффициент преобразования к, определяемый из выражения

K=U_max / S

где U_max - максимальное электрическое напряжение на пьезопластине, В; S - максимальное упругое смещение частиц контролируемого объекта непосредственно под ПАЭ, м.

Коэффициент преобразования имеет размерность В/м и опреде­ляет чувствительность ПАЭ. Максимальное значение K имеет место у узкополосных резонансных ПАЭ, тыльная сторона пьезопластин ко­торых не задемпфирована. Механическое демпфирование приводит к выравниванию чувствительности ПАЭ в более широком диапазоне, однако абсолютная чувствительность (коэффициент преобразования k) при этом значительно снижается.

Закрепление ПАЭ на поверхности объекта контроля осуществля­ется различными способами: с помощью клея, хомутами, струбцина­ми, магнитными держателями, с помощью стационарно установлен­ных кронштейнов и т. п. В практике промышленного АЭ контроля используют в основном резонансные ПАЭ, так как чувствительность у них намного выше. Конструкция одного из таких преобразователей приведена на рис. 10.6.

Рис. 10.6. Схема резонансного ПАЭ конструкции ЗАО «Элтест»:

1 - пластинчатая пружина; 2 - постоянный магнит магнитного держателя; 3 - корпус; 4 -

прижимной колпачок; 5 - самоустанавливающийся сферический кронштейн; 6 - разъем

электрический; 7 - пьезоэлемент; 8 - протектор керамический

Крепление ПАЭ осуществляется с помощью магнитного прижи­ма. Для обеспечения максимальной чувствительности тыльная сто­рона пластины выполнена свободной, а боковая поверхность задемпфирована лишь на 30 % компаундом.

Преобразователь акустической эмиссии соединяется коротким (длиной не более 30 см) кабелем с предварительным усилителем (см. рис. 10.5). Наряду с усилением (обычно до 40 дБ) предусилитель улучшает соотношение сигнал - шум при передаче сигнала по кабель­ной линии к блоку основной аппаратуры (3 - 8), удаленной на рас­стояние до 150...200 м.

Фильтром устанавливают спектр пропускания частот. Фильтр на­страивается таким образом, чтобы по возможности максимально от­сечь шумы различных частот.

Основной усилитель предназначен для усиления ослабленного после прохождения по кабельной линии сигнала. Он обладает равно­мерной амплитудно-частотной характеристикой при коэффициенте усиления 60...80 дБ,

Для подавления электромагнитных помех весь канал, включая ПАЭ, предусилитель, основной блок и соединительные кабельные линии, экранируют. Часто используют также дифференциальный способ подавления электромагнитных помех, основанный на том, что пьезопластинку ПАЭ разрезают на две части и одну половинку переворачивают, меняя таким образом ее поляризацию. Далее сигна­лы от каждой половинки усиливают отдельно, изменяют фазу сигна­лов на одной из половинок и складывают оба сигнала. В ре­зультате электромагнитные помехи оказываются в противофазе и по­давляются.

Блок обработки сигналов фиксирует время их прихода, регист­рирует сигналы выше установленного уровня дискриминации, пре­образует сигналы в цифровую форму и осуществляет их хранение. Окончательная обработка АЭ сигналов, зафиксированная по раз­ным каналам, осуществляется с помощью основного процессора, в котором также осуществляется определение местоположения (ло­кация) источника сигналов АЭ. При контроле линейного объекта (например, трубопровода) достаточно иметь два ПАЭ; для планарных объектов, имеющих сопоставимые габаритные размеры и боль­шую площадь поверхности, - не менее трех ПАЭ, окружающих ис­точник.

Сигналы от источника АЭ типа трещины характеризуются тем, что их испускает один источник, они кратковременны, а время их поступления на ПАЭ отражает расстояние до трещины. Положение источника АЭ на плоскости находят методами триангуляции. По скорости распространения волны в материале и разности времен прихода сигнала на разные ПАЭ рассчитывают местоположение множества точек для источника АЭ, которые будут находиться на ок­ружностях радиусами R₁ R₂ и R₃ от соответствующих ПАЭ (рис. 10.7, а). Единственно истинное положение источника АЭ опре­деляется путем решения треугольников, у которых известны все три торонсы. Для этого координаты ПАЭ на изделии фиксируются с максимально возможной точностью и вводятся перед проведением контроля в блок 6 на развертке поверхности (см. рис. 10.5).

Схема линейной локации приведена на рис. 10.7, б. Если ис­точник АЭ расположен не посередине между ПАЭ, то сигнал на дальней ПАЭ придет позже, чем на ближний.

Рис. 10.7. Схема локаций источников АЭ: а – планарная (на плоскости); б – линейная

Зафиксировав расcтояние а(1 - 2) между ПАЭ и разницу времени t времени прихода сигнала, рассчитывают координаты расположения дефекта по формулам

где С - скорость распространения волны в объекте.

Метод АЭ позволяет контролировать всю поверхность объекта контроля. Для проведения контроля должен быть обеспечен непо­средственный доступ к участкам поверхности объекта контроля для установки ПАЭ. При отсутствии такой возможности, например при проведении периодического или постоянного контроля подземных магистральных трубопроводов без освобождения их от грунта и изо­ляции, могут быть использованы волноводы, укрепленные постоян­но на контролируемом объекте.

Точность локации должна быть не меньше величины, равной двум толщинам стенки или 5 % расстояния между ПАЭ в зависимо­сти от того, какая величина больше. Погрешности вычисления коор­динат определяются погрешностями измерения времени поступления сигнала на преобразователи. Источниками погрешностей явля­ются:

• погрешность измерения временных интервалов;

• отличие реальных путей распространения от теоретически принятых;

• наличие анизотропии скорости распространения сигналов;

• изменение формы сигнала в результате распространения по конструкции;

• наложение по времени сигналов, а также действие нескольких источников;

• регистрация преобразователями волн различных типов;

• погрешность измерения (задания) скорости звука;

• погрешность задания координат ПАЭ и использование волно­водов.

До нагружения объекта проверяют работоспособность аппарату­ры и оценивают погрешность определения координат с помощью имитатора. Его устанавливают в выбранной точке объекта и сравни­вают показания системы определения координат с реальными коор­динатами имитатора. В качестве имитатора используют пьезоэлек­трический преобразователь, возбуждаемый электрическими импуль­сами от генератора. С этой же целью может быть использован так называемый источник Су-Нильсена (излом графитового стержня диаметром 0,3...0,5 мм, твердостью 2Т (2Н)).

Визуализация расположения источников АЭ осуществляется с помощью видеомонитора, на котором источники изображаются в со­ответствующем месте на развертке контролируемого объекта (см. рис. 10.4) в виде светящихся точек различной яркости, цвета или формы (зависит от использованного программного обеспечения). Документирование результатов контроля осуществляется с помощью соответствующих периферийных устройств, подключаемых к основ­ному процессору.

Рассмотренный выше метод определения местоположения ис­точников АЭ, основанный на измерении разности времени прихо­да сигналов, может быть использован только для дискретной АЭ. В случае непрерывной АЭ определить время задержки сигналов становится невозможно. В этом случае координаты источника АЭ можно определить, используя так называемый амплитудный метод, основанный на измерении амплитуды сигнала разными ПАЭ. В практике диагностирования этот метод применяют для обнару­жения течей через сквозные отверстия контролируемого изделия. Он заключается в построении столбчатой гистограммы амплитуды сигнала источника, принимаемого различными ПАЭ (рис. 10.8). Анализ такой гистограммы позволяет выявить зону расположения течи. Удобен при диагностировании таких линейных объектов, как нефте- и газопроводы.

Системы диагностического мониторинга, базирующиеся на ме­тоде АЭ контроля, являются наиболее универсальными. Аппаратное решение такой системы обычно включает:

Рис. 10.8. Иллюстрация амплитудного методаопределения источников АЭ

1 – 7 – номера приемников АЭ

• типовые блоки акустико-эмиссионной аппаратуры;

• блоки согласования и коммутации всех видов первичных пре­образователей дополнительных видов неразрушающего контроля, состав которых определяется видом контролируемого объекта;

• блоки управления и принятия решения по результатам диагно­стической информации о текущем состоянии контролируемого объ­екта.