Рассмотрены принципы построения акустико-эмиссионных информационно-измерительных систем (АЭИИС), предназначенных для обнаружения и контроля параметров развивающихся дефектов производственных объектов. Указаны требования к АЭИИС, описаны аналоговый и аналогоцифровой способы организации измерений сигналов акустической эмиссии (АЭ) от развивающихся дефектов.

К.Л. Куликовский, А.Н. Мисейко

           На сегодняшний день проблема обеспечения надежности и безопасности производственных объектов (трубопроводов, сосудов, аппаратов и т.п.) имеет огромное значение, поскольку степень их износа в различных отраслях промышленности составляет 60-80% [1]. Особую актуальность имеет задача своевременного обнаружения, локализации и контроля параметров дефектов, развивающихся в объектах при эксплуатации (трещин, непроваров, каверн и т.п.). Для ее решения в последнее время все большее применение находят ИИС, основанные на методе регистрации и анализа сигналов АЭ. Эти сигналы представляют собой упругие колебания, которые возникают при образовании и развитии дефектов в материале объекта. Они несут в себе информацию о параметрах дефектов и их изменениях, что позволяет классифицировать выявленные дефекты по степени их опасности [2, 3].

           Метод АЭ относится к классу акустических видов неразрушающего контроля и является пассивным методом в соответствии со схемой получения информации. Основными функциями ИИС, использующих метод АЭ, являются прием, усиление, выделение, измерение и обработка сигналов, регистрация и представление информации о процессах образования и развития дефектов. Вид сигналов АЭ определяет приемы обработки сигналов, выделяемые параметры и принципы построения ИИС. При контроле производственных объектов сталкиваются с необходимостью обнаружения, в первую очередь, дискретной АЭ, возникающей при пластической деформации и разрушении. Поток сигналов дискретной АЭ представляет собой импульсный стохастический процесс и это обстоятельство необходимо принимать во внимание при построении АЭИИС [4].

           Существующие на сегодняшний день АЭИИС делятся в зависимости от области решаемых задач на универсальные и специализированные, а в зависимости от способа контроля объекта и степени мобильности – на стационарные, мобильные (на базе автомобиля) и переносные. В зависимости от количества измеряемых параметров АЭИИС делятся на 4 класса. При этом в качестве измеряемых параметров выступают амплитуда и энергия сигналов АЭ, его длительность, время нарастания и спада импульсной характеристики, число превышений сигналом уровня дискриминации, время регистрации сигнала, параметры нагружения, при которых был зарегистрирован сигнал, номера ПАЭ, зарегистрировавших сигнал, значения разницы времен прихода сигналов для локализации сигналов и соответствующие координаты источников АЭ.

           В состав АЭИИС, как правило, входят преобразователи АЭ (ПАЭ), предварительные (ПУ) и основные усилители (ОУ), блоки выделения, измерения и обработки сигналов АЭ, блоки измерения вспомогательных параметров (температуры, давления, деформации и т.п.), контроллеры, ЭВМ со специализированным программным обеспечением.

           К АЭИИС для контроля производственных объектов предъявляются ряд общих технических требований [5]:

— рабочий диапазон частот от 10 до 500 КГц;

— неравномерность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) в пределах рабочего диапазона не более 3 дБ;

— ослабление сигнала за пределами рабочего диапазона при расстройке на октаву относительно граничных частот не менее 30 дБ;

— эффективное значение напряжения собственных шумов усилительного тракта не более 5 мкВ;

— коэффициент усиления ПУ от 20 до 60 дБ;

— коэффициент усиления ОУ от 0 до 40 дБ со ступенчатой регулировкой через 1 дБ;

— динамический диапазон измерения амплитуды сигналов АЭ не менее 60 дБ.

           Последнее требование имеет особое значение, поскольку существует необходимость обнаружения как единичных сигналов АЭ малой амплитуды при пластической деформации, так и потока сигналов относительно больших амплитуд, которые генерируются в процессе ускоренного роста трещин. Динамический диапазон измерения амплитуд сигналов АЭ в некоторых случаях может достигать 100 дБ и более [6].

           Также к АЭИИС промышленного назначения предъявляются требования по обеспечению нормальной работы ПАЭ в заданных условиях эксплуатации; согласованию ПАЭ с электрическими схемами, обеспечивающему максимум отношения полезный сигнал/электрический шум; подавлению промышленных и атмосферных помех; устранению или уменьшению влияния акустических помех. Используемые средства должны обеспечивать как оперативную обработку и отображение информации в режиме реального времени, так и обработку, отображение и вывод на периферийные устройства для документирования накопленных в процессе контроля данных.

           При построении АЭИИС для обнаружения и контроля параметров развивающихся дефектов производственных объектов в ее основу может быть положен один из 2 способов измерения и обработки сигналов АЭ: аналоговый или аналого-цифровой [6].

           На рисунке 1 представлена схема аналогового способа измерения сигналов АЭ. ПАЭ 1 устанавливается на поверхности контролируемого объекта. Упругие волны, возникающие в результате динамической перестройки структуры материала при развитии дефекта, преобразуются 1 в электрический сигнал. Однако уровень этого сигнала недостаточен для непосредственной обработки электронными блоками и требует дальнейшего усиления, которое осуществляется с помощью предварительного усилителя 2 и основного усилителя 4. Электрический фильтр 3 используется для ограничения полосы пропускания усилительного тракта. Сигналы на выходе 4 состоят, как правило, из совокупности зарегистрированных сигналов АЭ и сигналов от механических и электрических помех, которые попали в полосу пропускания 3. Отделение сигналов АЭ от помех может быть реализовано по амплитудному признаку, для этого используется амплитудный дискриминатор 5, который обеспечивает введение порога ограничения. С выхода 5 сигналы АЭ поступают либо непосредственно на блоки аналоговой обработки сигналов 7, либо на вход детектора 6, служащего для выделения огибающей сигналов. Детектор также соединен с блоками аналоговой обработки. В них проводится формирование основных параметров сигналов с усреднением значений на определенных интервалах времени. Регистрация и запись измеряемых параметров сигналов АЭ осуществляется при помощи аппаратуры 8, в качестве которой могут быть использованы многоканальные самописцы и графопостроители.

Рисунок 1 – Схема аналогового способа организации измерения сигналов АЭ

           В аналоговом способе организации измерения сигналов АЭ существует жесткая аппаратная реализация алгоритма обработки. В электронной аппаратуре предусматривается лишь некоторая свобода в регулировании исходных настроек: уровня дискриминации (порога ограничения), коэффициента усиления тракта, полосы частот пропускания сигналов и т.п., но при этом невозможно изменение самого алгоритма обработки. Следует отметить, что такой подход к измерениям сигналов АЭ не дает возможности гибкой перенастройки ИИС, но обеспечивает достаточно большое быстродействие.

           На рисунке 2 представлена схема аналого-цифрового способа измерения сигналов АЭ. Здесь прием, усиление и обработка сигнала производится аналогично вышеописанному до блока 6. Далее сигнал преобразуется в цифровые коды при помощи АЦП 7 с необходимым быстродействием и числом каналов. Полученная информация в цифровом виде накапливается и обрабатывается с использованием персональной ЭВМ 8. Необходимые параметры выводятся на принтер 9. Фактически при использовании данного подхода ЭВМ производит запись или ввод цифровых значений аналоговых диаграмм с привязкой ко времени, давлению, деформации или температуре с дискретностью, позволяющей осуществлять их восстановление с минимальной погрешностью. Преобразование аналоговых диаграмм в цифровой код позволяет автоматизировать процесс сбора, накопления и обработки информации для нахождения корреляционных связей между параметрами сигналов АЭ и параметрами развивающихся дефектов.

Рисунок 2 – Схема аналого-цифрового способа организации измерения сигналов АЭ

           Анализ основных тенденций в разработке АЭИИС позволяет выделить следующие принципы их построения:

1. Использование стандартных унифицированных блоков электронной аппаратуры, выполненных на полупроводниковых элементах и интегральных микросхемах. Отдельные блоки монтируются в унифицированных каркасах (например, CAMAC, EuroBus и т.п.), каркасы – в стойках, которые, в свою очередь, могут быть объединены в централизованную систему.
2. Создание специализированных систем унифицированных блоков для регистрации сигналов АЭ с учетом специфики проводимых измерений. Из этих блоков компонуется аппаратура для решения ряда конкретных задач.
3. Разработка специализированных АЭИИС. Такие АЭИИС позволяют наилучшим образом решить узкоспециальные задачи исследования и контроля. Как правило, они более компактны, помехоустойчивы и пригодны для использования в цеховых и полевых условиях.

           БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Безопасность России. Правовые, социально-экономические и научно-технические аспекты. Безопасность трубопроводного транспорта / И.И. Мазур, О.М. Иванцов и др. – М.: МГФ «Знание», 2002. – 629 с.
2. Грешников В.А., Дробот Ю.Б. Акустическая эмиссия. – М.: Изд-во стандартов, 1976. – 276 с.
3. Неразрушающий контроль: Справочник: В 7 т. / Под общ. ред. В.В. Клюева. Т. 7: В 2 кн. Кн. 1: В.И. Иванов, И.Э. Власов. Метод акустической эмиссии. – М.: Машиностроение, 2005. – 829 с.
4. Акустическая диагностика и контроль на предприятиях топливно-энергетического комплекса / В.М. Баранов, А.И. Гриценко, А.М. Карасевич и др. – М.: Наука, 1998. – 304 с.
5. РД 03-300-99 Требования к преобразователям акустической эмиссии, применяемым для контроля опасных производственных объектов. – М.: НТЦ «Промышленная безопасность», 2001. – 25 с.
6. Акустическая эмиссия в экспериментальном материаловедении / Н.А. Семашко, В.И. Шпорт, Б.Н. Марьин и др. – М.: Машиностроение, 2002. – 240 с