СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА ПОЯВЛЕНИЯ ТРЕЩИН Российский патент 1994 года по МПК G01N27/20 

Способ определения времени и места появления трещин на поверхностях конструкций относится к диагностике механического состояния конструкций. Преимущественной областью применения способа является техника испытаний материалов и конструкций.

Известен способ изучения кинетики развития трещин c помощью датчика из электропроводящей бумаги после ее наклеивания на исследуемый объект и сушки. Электросопротивление бумаги составляет 220-300 Ом/м. Увеличивающееся по мере продвижения трещины и соответствующего разрыва бумаги электросoпротивление регистрируется.

Наиболее близким решением к предлагаемому способу является способ регистрации трещин, при котором используют гребенчатый тензодатчик, нити которого располагают перпендикулярно предполагаемому направлению распространения трещин. Тензонити объединяют с одной стороны и на общий вывод подают заданное напряжение. С другой стороны на каждой из тензонитей контролируют напряжение посредством соответствующего согласующего усилителя и многоканального регистратора. Обрыв тензонити фиксируют по пропаданию напряжения на соответствующем канале регистрации и отмечают наработанное количество циклов нагружения [1] .

Этот способ регистрации трещин позволяет определить место появления трещин только по одной координате.

Цель изобретения - повышение точности определения места появления трещин путем введения дополнительной координаты измерения.

Поставленная цель достигается тем, что по способу определения времени и места появления трещин, заключающемуся в том, что электрические токи пропускают через лепестки проводящей, фольги, которые предварительно укрепляют через изоляционную прокладку на поверхности элемента конструкции, а время и место появления трещин определяют по пропаданию электрического тока через лепесток, разрушенный в результате ее появления, производят объединение лепестков датчика в древовидные ветви. При этом объединяющий лепесток ветви образует старшую ступень ветвления, а объединяемые им лепестки - следующую ступень ветвления и так далее до окончания ветви. С помощью источника питания формируют весовые токи, значения которых выбирают пропорциональными членам степенного ряда. Показатели членов степенного ряда ставят в соответствующие координатам лепестков младшей ступени ветви датчика. Весовые токи подают на лепестки младшей ступени ветви в соответствии с их координатами и на объединяющем лепестке ветви токи суммируют. Полученный суммарный ток измеряют и сравнивают с током, соответствующим целой ветви датчика. Неравенство токов характеризует появление трещин. Разницу между токами сравнивают с токами, соответствующими лепесткам ветви. По результату сравнения лепестки, на которых есть ток, регистрируют, как целые. Координаты остальных лепестков характеризуют место появления трещин.

Для повышения точности определения координат места появления трещин в случаях, когда происходит попадание тока на нескольких лепестках, объединенных в участок с несколькими ступенями разветвления, проводят дополнительное измерение. В этом участке, на лепестке младшей ступени с наименьшим весовым током, отключают входной весовой ток. На этом же лепестке измеряют ток, полученный в результате суммирования оставшихся весовых токов. Значение суммарного тока сравнивают с известным значением тока, соответствующим целой ветви. По разнице токов определяют целые лепестки. Вновь выявленные целые лепестки суммируют с ранее определенными. Оставшаяся часть ветви датчика характеризует место появления трещин. В случае, когда в этой части остались ступени ветвления, отключают входной весовой ток следующего по значению весового тока (координате) лепестка, измеряют на нем суммарный ток и так далее, пока в этом участке не останется ступеней разветвления или не определят суммарный ток на всех лепестках младшей ступени данного участка ветви датчика. Координаты оставшихся лепестков характеризуют место появления трещин.

В научно-технической и патентной литературе предложенная совокупность существенных признаков не обнаружена, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 и 2 показаны два варианта датчиков трещин с лепестками, образующими древовидные ветви; на фиг. 3 представлена структурная схема одного из вариантов системы наблюдения трещин для осуществления предлагаемого способа.

На фиг. 1 и 2 изображены фольговые датчики трещин с лепестками, образующими ветви древовидной формы, имеющие три ступени разветвления с коэффициентом разветвления 2 (каждый лепесток старшей ступени разветвления объединяет два лепестка предыдущей ступени). У датчика, представленного на фиг. 2, старшие суммирующие лепестки ветвей объединены в центре датчика (пунктирная линия ограничивает площадь, контролируемую датчиком, а выводы лепестков, являющихся окончаниями ветвей датчика, показаны темными линиями).

Система контроля трещин (фиг. 3) содержит последовательно соединенные источник 1 формирования весовых токов и аналоговый коммутатор 2, выводы которого соединены с датчиком 3. К коммутатору 2 также подключен аналого-цифровой преобразователь 4, выводы которого соединены с ЭВМ 6. Управляющие входы аналогового коммутатора 2 посредством контроллера 5 подключены к ЭВМ 6.

Предлагаемый способ определения времени и места появления трещин заключается в следующем. В зоне предполагаемого появления трещин размещают, например, датчик трещин (фиг. 1), лепестки которого объединены в древовидные ветви. Каждый лепесток ветви в таком датчике имеет свои координаты Y_УХⁿ, где n - номер ветви, х = 0,1. . . , Х_у - 1 - координата лепестка ветви по горизонтали, Х_у - число лепестков в ступени у; у = 0,1,2. . . Y-1 - координата лепестка по вертикали, Y - число ступеней разветвления. Например, лепесток с координатами Y₀₂¹ - является вторым слева лепестком в младшей ступени первой ветви датчика. Лепесток старшей ступени ветви, например, датчика 3 (фиг. 3) объявляют суммирующим. На лепестки младшей ступени в соответствии с их координатами (х) с источника 1 тока подают весовые токи, значения которых выбирают пропорциональными членам степенного ряда с основанием два. Тогда на лепестке первой ветви с координатами Y_oi¹ ток будет равным I_oi¹ = I_k˙2^i,где i = 0,1,2, . . . Х_о - 1 номер окончания ветви; Х_о - число лепестков на младшей ступени ветви датчика 3; I_k - ток квантования. Соответственно на объединяющем лепестке ветви ток будет равным I1b

= I_k×2ⁱ. Так, в данном случае при использовании датчика, изображенного на фиг. 1, на объединяющем лепестке ток будет равным i_в¹ = I_k ˙15 Суммарный ток посредством аналогового коммутатора 2 (фиг. 3) подают на аналого-цифровой преобразователь 4, где преобразуют его в цифровой код и направляют в ЭВМ 6 для анализа. В процессе анализа сравнивают текущее значение кода суммарного тока с значением кода, соответствующим целому датчику. Неравенство значений токов означает, что в датчике разрушен хотя бы один лепесток. Разницу значений токов раскладывают в степенной ряд с основанием два. Полученные члены ряда соответствуют пропавшим весовым токам в ветви датчика. Например, для датчика, изображенного на фиг. 1, разница значений текущего суммарного тока ветви I_в¹ = I_k ˙12 и полного I_o¹ = I_k ˙15 будет соответствовать пропаданию нулевого и первого весового тока. Таким образом, сравнивая множество пропавших весовых токов с множеством весовых токов, протекавших в лепестках целой ветви датчика, определяют состояние лепестков. Тот или иной лепесток ветви датчика классифицируют, как целый, если хотя бы один протекавший в лепестке весовой ток не входит в множество пропавших токов. Остальные лепестки ветви характеризуют место появления трещин. Например, в данном случае это будут лепестки с координатами V_oo¹, V_o1¹ и V₁₀¹.

Из анализа цифрового кода суммарного тока следует вывод об отсутствии тока на нескольких лепестках, объединенных в участок ветви с несколькими ступенями разветвления. Для уточнения места появления трещин (при необходимости) с помощью контроллера 5 (фиг. 3) и аналогового коммутатора 2 производят переключение схемы измерения. В уточняемом участке выбирают лепесток младшей ступени разветвления с минимальным весовым током и отключают входной весовой ток. На этом же лепестке определяют суммарное значение оставшихся весовых токов в ветви датчика. Например, если отсутствуют токи на лепестках ветви датчика, изображенного на фиг. 1 с координатами V₀₁¹, V_oo¹ и V₁₀¹, измеряют суммарный ток ветви на лепестке V_oo¹, а на остальные лепестки младшей ступени в соответствии с их координатами подают прежние весовые токи. Сопоставляя новое значение цифрового кода суммарного тока с исходным значением суммарного тока определяют целые лепестки в ветви датчика. Классифицированные таким образом целые лепестки добавляют к ранее определенным целым лепесткам ветви. Оставшиеся лепестки в ветви датчика, на которых пропал ток, будут более точно определять место появления трещин. Если оставшиеся лепестки, на которых пропал ток, образуют ступени разветвления, то отключают следующий весовой ток и так далее, пока в уточняемом участке ветви не останется ступеней разветвления, либо пока не определят суммарный ток на всех лепестках младшей ступени уточняемого участка ветви датчика 3 (фиг. 3).

По завершении анализа состояния ветви датчика 3 переходят к следующей ветви, анализ состояния которой проводят аналогично, и так далее до тех пор, пока не проведут анализ состояния всех ветвей датчика. При необходимости после определения места появления трещин возможно дальнейшее наблюдение состояния датчика и составление "истории" развития трещин. Таким образом, предлагаемый способ, на основании проведенных измерений позволяет опознавать разрушенные лепестки ветви датчика 3 и, следовательно, определять место появления трещин по двум координатам. Разрешающая способность датчика по координате Х равна шагу между лепестками, а разрешающая способность по координате У равна протяженности лепестков ветвей датчика 3.

Рассмотрим один из возможных алгоритмов обнаружения появления трещин. Работу программы начинают с ввода начальных данных, где определяют N - число ветвей в датчике, Х_о - число лепестков в младшей ступени ветви датчика, Y - число ступеней разветвления. Затем в блоке определяют константы и переменные, используемые в процессе работы программы. Здесь же вычисляют константы, используемые в программе: К_о - полный код ветви датчика, V - множество всех лепестков Vny

_x n-й ветви датчика, и определяют переменные Х = 0,1, . . . Х_у - 1 - индекс лепестка ветви датчика по горизонтали, Х_у - число лепестков на ступени (у) ветви датчика, у = 0,1,2, . . . . Y-1 - индекс лепестка ветви датчика по вертикали i = 0,1, . . . х-1 - индекс весового тока (показатель степени) I - множество протекающих токов в лепестках V n-й ветви датчика, V* - множество целых лепестков V_yxⁿ в n-й ветви датчика. Далее осуществляют организацию циклов опроса ветвей датчика. Перед опросом ветви датчика производят коммутацию весовых токов согласно координатам лепестков ветви датчика. Таким образом множеству лепестков V n-й ветви датчика с помощью оператора преобразования ставят в соответствие множество протекающих в лепестках токов I. Каждый из токов I_ухⁿ представляется в виде суммы весовых токов. Если в результате текущего опроса ветви датчика код К_пзначения суммарного тока ветви отличается от полного кода К_о, то переходят к второй части программы.

Разницу между кодами Δ К раскладывают в степенной ряд с основанием два Δ К = Σ 2ⁱ. Члены ряда, составляющие разницу кодов, определяют пропавшие весовые токи в ветви датчика. Далее с помощью процедуры сортировки определяют состояние токов в лепестках. При этом ток I_yxⁿ лепестка V_yxⁿ квалифицируется пропавшим, если все составляющие его весовые токи входят в множество пропавших весовых токов. Лепестки, в которых остались токи, классифицируются как целые и их регистрируют в множестве V*. Оставшиеся лепестки квалифицируются как неопределенные. Если в множестве неопределенных лепестков есть лепестки, объединенные между собой в участок n-й ветви датчика с несколькими ступенями, производят переключение суммирующего окончания ветви датчика. Для этого в множестве неопределенных лепестков выбирают лепесток младшей ступени с минимальным значением весового тока. Входной весовой ток этого лепестка отключают и подключают измерительную линию. Входные токи остальных лепестков младшей ступени ветви датчика оставляют прежними.

В соответствии с новой схемой подключения ветви осуществляют коммутацию весовых токов. В результате получают новое множество токов I в лепестках V n-й ветви датчика. И, следовательно, множеству лепестков V ставится в соответствие новое множество токов I. Затем для данной ветви датчика заново определяют текущий код К_п и разницу Δ К между текущим и исходным кодами. Разницу Δ К раскладывают в степенной ряд и по результату разложения заново определяют состояния лепестков V_yxⁿ в ветви датчика. Затем выполняют операцию объединения (сложения) нового множества целых лепестков и полученного ранее множества целых лепестков V*. Оставшееся множество неопределенных лепестков будет указывать уточненное место появления трещин. Если в этом множестве остались ступени разветвления, переключение продолжают до тех пор, пока в множестве неопределенных лепестков не останется разветвлений. В противном случае проводят измерения суммарных токов на всех лепестках неопределенного участка являющимися окончаниями ветви. Множество оставшихся неопределенных лепестков регистрируют как множество разрушенных лепестков. В случае использования датчика, подобного изображенному на фиг. 2, необходимо учитывать, что его суммирующие лепестки объединены между собой, и суммарный ток одной ветви датчика измеряют на одном из окончаний другой ветви. Следует заметить, что вышеуказанный способ определения координат разрушенных лепестков датчика в общем случае не обладает метрической полнотой. Так, например, если в ветви датчика разрушены лепестки V₀₁¹ и V₁₀¹, в результате анализа будут классифицированы, как разрушенные лепестки V_oo¹, V₀₁¹ и V₁₀¹. Однако, если в процессе испытаний производить регистрацию "истории" разрушения датчика, то последующий анализ этой "истории" позволит уточнить параметры трещин на поверхности испытываемого элемента конструкции с высокой степенью достоверности.

Предлагаемый способ обладает метрикой на плоскости и позволяет полностью автоматизировать процесс регистрации появления трещин, в том числе и в многоканальных системах с большим количеством датчиков. При этом место и размеры трещин определяются с точностью, соответствующей размерам лепестков, и с высокой достоверностью. (56) Клюев В. В. и др. Испытательная техника. М. : Машиностроение, т. 2, с. 445.

Использование: диагностика механического состояния конструкций. Сущность изобретения: для определения места появления трещин в элементах конструкций на поверхности элемента предварительно укрепляют через изоляционную прокладку протяженные элементы проводящей фольги и объединяют в суммарные ветви таким образом, что объединяющий элемент ветви образует старшую ступень разветвления, объединяемые им элементы образуют следующую ступень разветвления и так далее, до окончания ветви. На элементы младшей ступени ветви подают весовые токи, сформированные со значениями, отличными для каждого элемента младшей ступени, на объединяющем элементе ветви измеряют суммарный ток и сравнивают его с известным значением тока целой ветви. Разницу токов сравнивают с величинами токов, протекавших через элементы всех ступеней ветви, и по результату сравнения регистрируют элементы, на которых есть ток, как целые, а остальные характеризуют место появления трещин. 3 ил.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА ПОЯВЛЕНИЯ ТРЕЩИН, заключающийся в том, что электрические токи пропускают через элементы проводящей фольги, которые предварительно закрепляют через изоляционную прокладку на испытуемой поверхности, и определяют место появления трещин по изменению электрического тока, проходящего через элементы, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения, элементы проводящей фольги объединяют в систему, состоящую из концевых элементов, соединенных между собой суммирующими элементами, подают весовые токи на концевые элементы со значениями, отличными для каждого из них, измеряют суммарный ток на суммирующих элементах, сравнивают его с заданным суммарным значением тока и по результату сравнения определяют место нахождения трещин.