МНОГОПРОФИЛЬНЫЙ АКУСТИЧЕСКИЙ ТЕЧЕИСКАТЕЛЬ И СПОСОБ ЕГО НАСТРОЙКИ Российский патент 1995 года по МПК G01M3/24 

Многопрофильный акустический течеискатель является устройством акустического контроля непроницаемости и герметичности, предназначен для неразрушающего диагностирования дефектов трубопроводов, запорных и невозвратно- запорных устройств, герметичных сосудов и барокамер, находящихся как при избыточном давлении, так и в нормальных условиях, определения наружных протечек на фланцах, дверях, люках, определения качества сварных швов, определения текущей (негерметичной) трубки в устройствах типа теплообменного аппарата (парогенератора), для приема акустических эмиссионных сигналов, возникающих при кавитации и разрушении материала.

Известные способы акустического контроля, основанные на индикации акустико-эмиссионных сигналов, возникающих при перетекании рабочей жидкости или газа через неплотности контролируемого устройства, являются недостаточно чувствительными из-за влияния на контроль сопутствующих акустических помех и достаточно сложного оборудования и методик измерения.

Известны схемы, использующие принцип преобразования механического сигнала в электрический, в которых вырабатывается частотный огибающий сигнал, имеющий характеристики воспринимаемого ультразвукового шума, схемы, основанные на обнаружении зависимостей огибающих спектров сигналов и помех и др. решения.

К недостаткам этих решений можно отнести:
1. Отсутствие реализации акустических особенностей керамических и пьезопреобразователей, неравномерность амплитудно-частотной характеристики которых достигает 30 дБ в рабочем диапазоне частот при приеме волн Рэлея.

(См. заявки Японии N 52-10400, N 56-44367, N 57-24495, Патент США N 4287581).

2. Наличие устройств типа компараторов, схем временных задержек сигналов и др. требующих стационарной установки датчиков, что для переносных приборов и сложных объектов контроля является проблематичным: (см. авт. свид. СССР N 1089442 СССР, N 1305545).

3. Наличие пробного газа, требования к опрессовке устройств требуют дорогостоящих манипуляций.

Наиболее близким к предлагаемому решению является индикатор ультразвуковых колебаний ИКУ-1, включающий в себя пьезопреобразователь с волноводом, предварительный и основной усилитель с полосовым фильтром восьмого порядка, блок выделения огибающей и устройство индикации со ступенчатым автоматическим аттенюатором.

К недостаткам этой конструкции могут быть отнесены: отсутствие работы в широком частотном диапазоне рабочая частота: F_р= 105 ± 5 кГц; слабая помехозащищенность при наличии лишь одного фильтра, заданность частотного фильтра восьмого порядка с большим количеством элементов при строго говоря переменной величине резонансной частоты пьезопреобразователя с волноводом; (эта резонансная частота зависит от способа крепления керамики, точности изготовления волновода, усилия прижатия и т.д. величин непостоянных); нелинейность рабочей характеристики; большое энергопотребление (≈ 18 ВА), требующее отдельного блока питания.

Целью изобретения является: повышение чувствительности течеискателя; увеличение помехозащищенности; линеаризация рабочей характеристики; малое энергопотребление.

Для достижения указанной цели в схеме многофункционального акустического течеискателя применены: широкополосный керамический пьезопреобразователь, блок перенастраиваемых узкополосных фильтров, схема компрессии электрического сигнала.

Использование в устройстве указанных элементов позволяет реализовать индивидуальные физические особенности керамических широкополосных пьезопреобразо- вателей и задать оптимальные условия приема сигналов акустической эмиссии.

Эти условия реализуются путем соответствующей электроакустической настройки схемы устройства. Указанная настройка включает в себя следующие операции:
1. Выбор широкополосного пьезопреобразователя (ПП).

2. Определение амплитудно-частотной характеристики ПП на установке, в которую входит ЭВМ, в программу которой заложена акустическая формула теоремы взаимности, либо графическим способом.

3. Предварительная настройка фильтров течеискателя на резонансные частоты.

4. Окончательная электроакустическая настройка, корректирующая искажения АЧХ, возникающие при креплении ПП в любом держателе, обойме, щупе и т.д.

Таким образом, каждый течеискатель имеет индивидуальную электроакустическую настройку, соответствующую АЧХ широкополосного ПП.

В табл. 1 приводятся сравнительные данные минимально контролируемых уровней протечек (МКУ) двух течеискателей: по предлагаемому решению и прототипу. Данные приведены для различных сред.

На фиг. 1 и 2 представлены графики зависимостей МКУ (Q л/мин) от перепада давления на запорном устройстве, взятом в качестве контролируемого объекта (Δ Р кгс/см²). Графики приведены также для различных рабочих сред.

На фиг. 3 представлена блок схема течеискателя.

Hаличие в cхеме уcтройcтва компреccии cигнала позволило раcширить динамичеcкий диапазон течеиcкателя на 30-40 дБ, т.е. получить на выходе практичеcки поcтоянный cигнал при изменении уровня на входе на 30-40 дБ и коcвенно cудить об интенcивноcти течи.

Блок-схема течеискателя содержит следующие элементы:
1 а пьезопреобразователь узкополосный приемный для бесконтактного поиска течи (ультразвуковой микрофон).

I-ПП широкополосный приемный П пьезоизлучатель на фиксированной ультразвуковой частоте
2 предварительный усилитель
3 основной усилитель
4 блок выделения огибающей высокочастотного сигнала
5 блок узкополосных перестраиваемых фильтров
6 схема компрессии сигнала
7 гетеродинный преобразователь
8 смеситель
9 усилитель низкой частоты,
10 блок питания
12 ультразвуковой генератор на фиксированную частоту
13 батарея питания имитатора акустико-эмиссионных сигналов.

Узлы и блоки течеискателя выполнены на базе широко применяемых комплектующих элементов по достаточно известным принципам проектирования.

Наиболее важным узлом схемы является блок фильтров, в котором используется двойной Т-образный мост. Максимум усиления фильтра на резонансной частоте зависит от коэффициента усиления операционного усилителя и точности настройки моста. При точности номиналов элементов 0,1% коэффициент передачи фильтра превышает 50 дБ. Полоса пропускания фильтров по уровню 0,7 одного из вариантов настройки указана в табл. 3. Фактически добротность фильтров зависит еще от полосы пиков экстремумов по максимуму коэффициентов преобразования ПП и существенно улучшается при правильном определении АЧХ ПП и соответствующей электроакустической настройке течеискателя.

Количество фильтров с учетом перекрытия частотного диапазона 20-240 кГц по уровню 0,2 взято равным восьми.

Индикатор МАТ работает следующим образом.

С выхода пьезопреобразователя (ПП) 1 или сигналы акустической эмиссии поступают на предусилитель 2. Оба элемента смонтированы на одном щупе, что значительно (на 50-60 дБ) подавляет уровень электромагнитных помех на входе. Далее сигналы поступают на основной усилитель 3, позволяющий усилить его на резонансной частоте одного из восьми узкополосных фильтров, выбираемых механическим коммутатором. На блоке выделения огибающей высокочастотного сигнала 4 выделяется его постоянная составляющая, которая в зависимости от уровня сигналов акустической эмиссии отклоняет стрелку микроамперметра на некоторое значение. Для исключения зашкаливания прибора при мощных сигналах предусмотрена схема компрессии 6, расширяющая динамический диапазон устройства на 30-40 дБ. Для обеспечения дополнительного слухового контроля высокочастотный сигнал переносится в нормальный диапазон гетеродинным преобразователем.

Работает течеискатель в трех режимах.

1. Пассивная индикация контактным широкополосным датчиком 1. Производится при наличии градиента давления любой рабочей среды на запорном устройстве. При этом сигнал акустической эмиссии выбирается механическим коммутатором по максимуму его энергетики и минимуму сопутствующих акустических помех. Протечка фиксируется визуально по микроамперметру и на слух с помощью головных телефонов.

2. Пассивная бесконтактная индикация ультразвуковым микрофоном 1а. Производится на фиксированной резонансной частоте этого микрофона при наличии градиента давления воздуха в исследуемом на герметичность объеме. При этом выбирается фильтр, настроенный на данную частоту. С помощью щупа объем обследуется в местах возможных протечек на слух и визуально.

3. Активная бесконтактная индикация ультразвуковым микрофоном. Также производится на фиксированной частоте, на которой работает и имитатор акустической эмиссии (12). Имитатор при этом размещается в исследуемом на герметичность объеме. С помощью щупа данный объем обследуется в местах возможных протечек на слух и визуально.

В третьем режиме течеискатель достоверно фиксирует неплотности исследуемого объема соответствующие протечкам 1,1 лх хмк/с.

Электроакустическая настройка схемы сводится к следующим действиям:
1. Выбирается широкополосный керамический пьезопреобразователь (ПП).

2. Измеряется реальная АЧХ этого ПП.

3. Предварительная настройка фильтров, соответствующая реальной АЧХ, производится при помощи обычной техники: генератора сигналов специальной формы, осциллографа и частотомера.

4. Окончательная настройка выполняется на специальном стенде. При этом корректируются искажения АЧХ, возникающие при индивидуальной механической сборке ПП в своем держателе, щупе, обойме и т.д.

Итак, электроакустическая настройка индикатора сводится к приведению к идентичности экстремумов АЧХ ПП по максимуму коэффициента преобразования при приеме волн Рэлея и резонансных частот основного усилителя.

Вариант настройки приведен в табл. 2, где в первой строке обозначены частотные диапазоны течеискателя, во второй экстремумы по максимуму коэффициента преобразования, в третьей фактически полученные резонансные частоты индикатора. Совпадение первой и второй строк возможно в случае слабовыраженных экстремумов.

Ниже приводятся основные технические характеристики течеискателя МАТ,
Рабочий диапазон частот, кГц 20-240
Количество узкополосных частотных фильтров 8
Уровень шумов, приведен-
ных ко входу предваритель- ного усилителя, не более 10˙10^-6 Потребляемая мощность, Вт 0,96 Напряжение питания от + 20% автономного источника, В ±12
-10%
Время непрерывной работы
от автономного источника питания, ч, не менее 45
Габаритные размеры, мм 234х250х83 Масса, кг 4

Использование: многопрофильный акустический течеискатель предназначен для неразрушаюшего контроля дефектов трубопроводов, запорных и невозвратно-запорных устройств, герметичных сосудов и барокамер, находящихся как при избыточном давлении, так и в нормальных условиях. Сущность: устройство при использовании повышает эффективность контроля за счет применения в схеме широкополосного пьезопреобразователя, гребенки перенастраиваемых полосовых фильтров, схемы компрессии сигнала, применения как пассивного, так и активного поиска течи с использованием имитатора акустической эмиссии и оригинальной методики электроакустической настройки прибора при приеме поверхностных волн (волн Рэлея). 2 с.п. ф-лы, 3 ил. 3 табл.

1. Многопрофильный акустический течеискатель, содержащий керамический пьезопреобразователь, блоки предварительного и основного усилителей, блок выделения огибающей, блок визуальной и слуховой индикации и блок фильтрации сигналов, электрически связанные между собой, отличающийся тем, что керамический пьезопреобразователь выполнен широкополосным с диапазоном 20 - 240 кГц, блок фильтрации сигналов выполнен в виде гребенки восьми перенастраиваемых полосовых фильтров, и течеискатель снабжен электрически подключенными блоком компрессии сигнала и блоком гетеродинного преобразования высокочастотного сигнала акустической эмиссии. 2. Способ настройки течеискателя, заключающийся в излучении волн Релея с помощью излучателя акустических колебаний, приеме волн Релея течеискателем, их индикации в виде звукового и/или визуального сигнала и регулировке блоков основного усилителя и выделения огибающей по максимуму принимаемого сигнала, отличающийся тем, что регулировка блоков основного усилителя и выделения огибающей производится по восьми экстремумам реальной амплитудно-частотной характеристики пьезопреобразователя по максимуму коэффициента преобразования и резонансных частот основного усилителя.