ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ Российский патент 1997 года по МПК G01N29/24 

Изобретение относится к неразрушающему контролю объектов в экстремальных условиях (воздействие высокой температуры,гамма -n-излучения, перегретого пара, вибрации и т.п.), а именно к пьезоэлектрическим преобразователям акустической эмиссии, и может быть использовано для контроля герметичности первых контуров реакторных установок атомных электростанций.

Наиболее важной характеристикой пьезоэлектрических преобразователей акустической эмиссии является чувствительность, предопределяющая нижний уровень воспринимаемых механических возмущений, устойчивость к влиянию дестабилизирующих факторов, сопровождающих механическое возмущение, и особенно для весьма жестких условий эксплуатации оборудования атомных электростанций.

В таких условиях размещение усилительно-преобразовательной аппаратуры вблизи пьезоэлектрического преобразователя акустической эмиссии практически невозможно, в том числе из-за ограниченного доступа к объекту, что требует применения длинных кабельных линий, резко ухудшающих соотношение сигнал/шум.

В известных промышленно освоенных преобразователях, как правило, применяют пьезоэлементы из пьезокерамического материала с температурой точки Кюри Т_к выше максимальной температуры объекта (трубопроводы первых контуров АЭС нагреваются до температуры T_max=360^oC, а температура воздуха вблизи трубопроводов ≈ 90^oC). Однако, с увеличением температуры точки Кюри существенно уменьшаются пьезокерамики, что снижает чувствительность преобразователя и соответственно эффективность метода акустической эмиссии. Следует отметить, что принудительное охлаждение преобразователей на таких объектах из-за сложности практически не применяется.

Известен пьезоэлектрический преобразователь акустической эмиссии для производственных условий с высоким уровнем электромагнитных помех, содержащий корпус, пьезопреобразователь, соединенный с усилителем, и волновод (1). Однако, такая конструкция для условий теплонагруженных объектов обладает существенными недостатками:
Во-первых, необходимость размещения усилителя за пределами объекта и соответственно применение длинных кабельных линий ведет к снижению чувствительности. Так, например, для оборудования АЭС с кабельными линиями длиной свыше 100-200 м коэффициент преобразования пьезопреобразователя с типовой электрической емкостью 1000 пФ уменьшается более чем в 10-20 раз;
Во-вторых, конструкция волновода не обеспечивает эффективного уменьшения теплопередачи от объекта к пьезопреобразователю и ведет к необходимости применения высокотемпературной керамики (или пьезокристаллов), имеющих низкие значения пьезомодулей и большую механическую добротность. Использование таких материалов также снижает чувствительность и способствует появлению изрезанности частотной характеристики. При этом, например, пьезокерамика ЦТС-21 с температурой точки Кюри 400^oC (выше максимальной температуры объекта) обладает более чем в 6 раз меньшим пьезомодулем и большей, чем в 4 раза, механической добротностью по сравнению с пьезокерамикой ЦТС-19 с точкой Кюри 280^oC (ниже максимальной температуры объекта).

Таким образом, применение преобразователей, выполненных по схеме (1), включающей соединенные пьезопреобразователь и усилитель, в экстремальных условиях воздействия физических факторов, сопровождающих эксплуатацию оборудования АЭС, весьма не эффективно.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является пьезоэлектрический преобразователь акустической эмиссии, включающий корпус, тонкую металлическую мембрану, электроизоляционную пластину, токосъемник, пьезоэлемент, два согласующих трансформатора, кабель, термопонижающий переходник (2). Первичная обмотка первого трансформатора электрически соединена с пьезоэлементом, кабель электрически соединяет вторичную обмотку первого трансформатора и первичную обмотку второго трансформатора. Термопонижающий переходник акустически соединен с мембраной, выполнен в виде усеченного конуса. Поверхность меньшего сечения переходника прилегает к объекту и равна эффективной поверхности мембраны, а поверхность большего сечения прилагает к мембране.

Такая конструкция пьезоэлектрического преобразователя акустической эмиссии по сравнению с датчиком (1) позволяет установку на теплонагруженных объектах, обладает малым уровнем электрического шума, хорошей защитой от воздействия факторов, сопровождающих эксплуатацию объектов. Тем не менее, известное устройство не исключает недостатков, присущих преобразователю (1). Эффективность понижения температуры переходника относительно мала и особенно при малой длине, сравнимой с длиной волны акустического сигнала. Для такого термопонижающего переходника выбор материалов ограничен изоляторами с малой теплопроводностью.

Кроме того, в известных преобразователях (1, 2) отсутствуют встроенные каналы контроля работоспособности, что также ограничивает их применение на объектах с ограниченным доступом в зону установки преобразователей.

Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности пьезоэлектрического преобразователя акустической эмиссии, уменьшение изрезанности частотной характеристики в рабочем диапазоне частот.

Технический результат достигается тем, что в известном пьезоэлектрическом преобразователе акустической эмиссии, содержащем корпус, основание, с установленным на нем первым пьезоэлементом, крепежный элемент, два согласующих трансформатора и кабель, причем электроды первого пьезоэлемента электрически изолированы от основания, установленного на объекте посредством крепежного элемента, первичная обмотка первого трансформатора электрически соединена с пьезоэлементом, кабель электрически соединяет вторичную обмотку первого трансформатора и первичную обмотку второго трансформатора, основание выполнено в виде удлиненного составного стержня, состоящего последовательно из части в виде диска диаметром D₁, части с постепенно сужающимся сечением и части в виде стержня диаметром D₂. Первый пьезоэлемент установлен на торцевой поверхности диска основания. Первый трансформатор установлен внутри корпуса, а второй трансформатор размещен за пределами объекта. Размеры первого пьезоэлемента и основания, минимальная резонансная частота преобразователя fp выбраны из условий:

D₁>D_пэ
fp<f_min
где D_пэ диаметр первого пьезоэлемента;
C скорость звука в материале основания;-
f_max максимальная частота механических волн, излучаемых объектом;
f_min минимальная частота механических волн, излучаемых объектом.

Первый пьезоэлемент выполнен из пьезокерамического материала с температурой точки Кюри Тк, меньшей максимальной температуры объекта T_max. Основание выполнено из стали, а длина стержня основания L выбрана из неравенства
L > α(T_max - T_к),
где α 0,6 1,5 мм/^oC эмпирический коэффициент.

Первый трансформатор выполнен на основе кольца из феррита с температурой точки Кюри, меньшей максимальной температуры объекта T_max.

Дополнительно введен второй пьезоэлемент в виде кольца с осевой поляризацией и электродами на торцевых поверхностях и установлен на торцевой поверхности диска основания, а высота второго пьезоэлемента H_k выбрана из условия H_k≅H_пэ,где H_пэ высота первого пьезоэлемента.

Кабель содержит два изолированных друг от друга экрана, один из которых электрически соединен с основанием и заземлен, а другой электрически соединен с верхним электродом второго пьезоэлемента.

Крепежный элемент и основание выполнен за одно целое. Крепежный элемент выполнен в виде резьбовой шпильки, а стержень основания опирается на обекте, по крайней мере, частью торцевой поверхности.

Повышение чувствительности пьезоэлектрического преобразователя акустической эмиссии теплонагруженных объектов достигается применением низкотемпературной пьезокерамики, имеющей высокие значения пьезомодулей. Пьезоэлементы устанавливаются на поверхность основания с температурой ниже температуры точки Кюри материала пьезоэлемента. Уменьшение теплопередачи от объекта к пьезоэлементам и соответственно уменьшение температуры поверхности установки пьезоэлемента достигаются формой и соотношениями размеров основания и пьезоэлементов. Одновременно благодаря форме и соотношениям размеров основания уменьшается изрезанность частотной характеристики (или уменьшается неравномерность частотной характеристики).

Второй пьезоэлемент обеспечивает функции контроля работоспособности преобразователя.

Рассмотрим более подробно особенности совокупности отличительных признаков заявляемого технического решения на примере пьезоэлектрического преобразователя акустической эмиссии для оборудования атомных электростанций типа ВВЭР (с максимальной температурой 360^oC, излучающего механические волны в диапазоне частот от f_min 80 кГц до f_maxb 200 кГц, с длиной кабельных линий более 200 м).

На фиг.1 и 2 дана конструктивная схема пьезоэлектрического преобразователя акустической эмиссии.

Она имеет корпус 1, основание 2, электроизоляционную пластину 3, токосъемник 4, первый пьезоэлемент 5, крепежный элемент 6, первый трансформатор 7, второй трансформатор 8, кабель 9, объект 10, электроды 11 первого пьезоэлемента, первичная обмотка 12 первого трансформатора, вторичная обмотка 13 первого трансформатора, первичная обмотка 14 второго трансформатора, вторичная обмотка 15 второго трансформатора, диск основания 16, часть основания 17 с постепенно сужающимся сечением, стержень основания 18, второй пьезоэлемент 19, электроды 20 второго пьезоэлемента.

Пьезоэлектрический преобразователь акустической эмиссии теплонагруженных объектов содержит корпус 1, основание 2, на котором последовательно установлены электроизоляционная пластина 3, токосъемник 4 и первый пьезоэлемент 5 диаметром D_пэ и высотой H_пэ. Корпус 1 образует замкнутую полость и защищает первый пьезоэлемент 5, первый трансформатор 7 и выводы кабеля 9 от воздействия факторов, сопровождающих эксплуатацию оборудования АЭС (вода, перегретый пар, различные водные растворы, электромагнитное поле и др.). Первичная обмотка первого трансформатора 12 электрически соединена с первым пьезоэлементом 5. Кабель 9 электрически соединяет вторичную обмотку первого трансформатора 13 и первичную обмотку второго трансформатора 14. Первый трансформатор 7 размещен внутри корпуса 1. Второй трансформатор 8 вынесен за пределы объекта 10. Вторичная обмотка второго трансформатора 15 соединена с последующим трактом усилительно-преобразовательной аппаратуры. Основание 2 выполнено в виде удлиненного составного стержня, состоящего последовательно из диска основания 16, части с постепенно сужающимся сечением 17 и стержня основания 18. На торцевой поверхности диска основания 16 установлен второй пьезоэлемент 19 в виде кольца с осевой поляризацией и электродами 20 на торцевых поверхностях. Основание 2 установлено на объекте посредством крепежного элемента 6. Крепежный элемент 6 выполнен в виде резьбовой шпильки, а стержень основания 18 опирается на объекте 10 частью торцевой поверхности. Основание 2 и крепежный элемент 6 выполнены за одно целое.

Размеры основания 2 и первого пьезоэлемента 5 выбраны из условий: диаметр стержня основания 18 меньше диаметра первого пьезоэлемента 5; диаметр пьезоэлемента 5 меньше минимальной длины полуволны акустического сигнала, распространяющего по основанию 2 (выражение представляет собой минимальную длину полуволны акустического сигнала, распространяющего по основанию); диаметр диска основания 16 больше диаметра первого пьезоэлемента 5; длина стержня основания 18 больше произведения эмпирического коэффициента α на разность максимальной температуры объекта T_max и температуры точки Кюри T_к материала первого пьезоэлемента 5. Минимальная резонансная частота преобразователя выбрана существенно меньшей минимальной частоты механических волн f_min, излучаемой объектом. Высота второго пьезоэлемента 19 выбрана равной или меньшей высоты первого пьезоэлемента 5.

Повышение чувствительности пьезоэлектрического преобразователя акустической эмиссии достигается применением низкотемпературной пьезокерамики, имеющей высокие значения пьезомодулей d₃₁ и d₃₃,а также выполнением основания 2 в виде удлиненного составного стержня определенных размеров, выбранных из условий
D₂ < D_пэ и L > α(T_max - T_к),
обеспечивается температура на торцевой поверхности диска основания 16 меньше температуры точки Кюри материала первого пьезоэлемента 5.

Форма основания 2 и соотношения размеров элементов преобразователя обуславливаются тем, что более тонкий стержень основания 18 по сравнению с диском основания 16 эффективно снижает теплопередачу от объекта 10 к пьезоэлементу 5. В то же время снижается амплитуда акустического сигнала в результате уменьшения эффективной площади передачи акустического сигнала. Однако, такие потери амплитуды сигнала несравнимо малы по-сравнению с достигаемым эффектом применения низкотемпературной пьезокерамики. Как выше отмечалось, относительная разница пьезомодулей низкотемпературной и высокотемпературной пьезокерамик превышает 6 раз.

Одновременно форма и соотношения размеров основания 2 обеспечивают минимальные отражения акустического сигнала при его прохождении по основанию 2. Пределы эмпирического коэффициента α обуславливаются соотношениями диаметров диска основания 16 и стержня основания 18. Для соотношений D₁/D₂близких и сравнимых с единицей, относительная теплопередача выше, чем для соотношений D₁/D₂, существенно превышающих единицу. Таким образом, нижний предел эмпирического коэффициента ( a 0,6 мм/^oC) показывает величину уменьшения температуры на единицу длины тонких стержней основания, а верхний предел ( a 1,5 мм/^oC) более толстых стержней основания.

Условия обеспечивают уменьшение изрезанности частотной характеристики за счет смещения нежелательных резонансов за пределы рабочего диапазона частот.

Одновременно использование низкотемпературной пьезокерамики также снижает изрезанность частотной характеристики за счет меньшей механической добротности материала пьезоэлемента 5.

Следует отметить, что и условия D₂ < D_пэ, L > α(T_max - T_к) согласуются с неравенством f_p <f_min, поскольку предпочтение отдается тонким и длинным стержням, и тем самым дополнительно способствует улучшению формы частотной характеристики.

Минимальная резонансная частота установленного на объекте преобразователя выносится далеко за пределы рабочего диапазона частот с целью уменьшения влияния кратных ей собственных частот на частотную характеристику преобразователя. Достижению неравенства f_p < f_min способствует форма основания, при которой все массивные элементы преобразователя находятся на конце удлиненного основания.

Выполнение первого трансформатора 7 на основе кольца из феррита с температурой точки Кюри ниже максимальной температуры объекта позволяет получить минимальные размеры трансформатора, произвести плотную компоновку деталей внутри корпуса 1, а также снизить себестоимость преобразователя за счет использования недифицитных низкотемпературных ферритов.

Введением дополнительного второго пьезоэлемента 19 в виде кольца высотой H_к≅H_пэ c осевой полязирацией и электродами 20 на торцевых плоскостях, установленного на торцевой поверхности диска основания 16, обеспечивается контроль работоспособности датчика при эксплуатации на объектах в рабочем диапазоне частот. При этом второй пьезоэлемент 19 может быть использован как в режиме излучения, так и в режиме приема. Форма пьезоэлемента 19 и его размеры обеспечивают плоскую частотную характеристику в диапазоне частот от f_min до f_max с минимальной неравномерностью. При этом может быть осуществлен как самоконтроль путем приема пьезоэлементом 5 отраженного акустического сигнала, посланного пьезоэлементом 19, так и контроль соседних, отстоящих, например, не далее 5 10 м на объекте датчиков. Второй пьезоэлемент 19 возбуждает при подаче на него электрического сигнала продольные механические волны, которые без отражения проходят через основание 2, отражаются от стенок объекта, преобразуются и частично возвращают в датчик, из которого был послан механический сигнал, и частично принимаются соседними преобразователями акустической эмиссии.

Использование кабеля 9 с двумя экранами, один из которых электрически соединен с основанием 2 и заземлен, а другой соединен с верхним электродом второго пьезоэлемента 19, позволяет использовать один кабель как для снятия сигнала акустической эмиссии, так и для передачи контрольного электрического сигнала на второй пьезоэлемент 19, и одновременно уменьшить уровень электрического шума за счет двойного экранирования.

Выполнение крепежного элемента 6 и основания 2 за одно целое, а также выполнение крепежного элемента 6 в виде резьбовой шпильки, а опору стержнем основания 18 на объекте 10, по крайне мере, частью торцевой поверхности снижает потери акустического сигнала, связанные с отражением на стыке "объект установочная поверхность датчика акустической эмиссии", и тем самым способствует повышению чувствительности и снижению изрезанности частотной характеристики.

Пьезоэлектрический преобразователь акустической эмиссии работает следующим образом. Объект 10 излучает механические волны в диапазоне частот от f_min до f_max, которые проходят через основание 2 и вызывают деформацию пьезоэлемента 5. Электрический сигнал, снимаемый с электродов пьезоэлемента 5, передается через первый согласующий трансформатор 7, который согласует выходной импеданс пьезоэлемента 5 с входным импедансом кабеля 9. Второй трансформатор 8 используется для согласования импеданса кабеля 9 с входным сопротивлением усилительно-преобразовательной аппаратуры. При этом использование согласующих трансформаторов 7 и 8 в цепи передачи сигнала с пьезоэлемента 5 снижает амплитуду сигнала не выше 6(-)дБ, в то время как при непосредственном подсоединении преобразователя посредством кабельной линии к усилителю вносимое затухание составит свыше 20(-)дБ.

Конструкция проста, надежна и технологична.

На практике было реализовано следующее. Были изготовлены лабораторные образцы пьезоэлектрических преобразователей акустической эмиссии по вышеописанной конструктивной схеме. Основание было выполнено из стали Х18Н10Т с разрезами D₁= 16 мм, D₂=8 мм, L=150 мм. Часть основания с постепенно сужающимся сечением была выполнена в виде конуса с углом раствора 20^o. Пьезоэлемент с размерами D_пэ 12,5 мм, H_пэ 5 мм из пьезокерамики ЦТС-19, имеющей максимальные значения пьезомодулей среди отечественных материалов и температуру точки Кюри T_k 280^oC, обеспечил прием акустического сигнала в диапазоне частот от 80 до 200 кГц. Температура на торцевой поверхности диска основания не превышала 150^oC, в то время как максимальная температура оборудования была 320-360^oC. Минимальная резонансная частота установленного на объекте преобразователя составляла f_p ≈ 10 кГц. Первый трансформатор был выполнен на основе ферритового кольца из материала 1000 НМЗ с точкой Кюри > 155^oC, размерами: внешний диаметр равен 12 мм, внутренний диаметр 8 мм, высота 3 мм; с разнесенными первичной и вторичной обмотками, выполненными проводом ПЭТВ-1. Первый трансформатор был помещен внутри корпуса. Второй трансформатор был размещен за пределами оборудования на расстоянии ≈ 200 м от преобразователя и соединен с первым трансформатором посредством коаксиального кабеля типа РК-50. Преобразователь устанавливался на объкете посредством резьбовой шпильки, выполненной за одно целое со стержнем основания, и опирался на объекте частью торцевой поверхности стержня основания. Изрезанность частотной характеристики в рабочем диапазоне частот не превышала 6 дБ (при 1/3 октавном анализе).

Кроме того, была изготовлена и опробована конструкция датчика со вторым кольцевым пьезоэлементом с размерами: наружный диаметр равен 18 мм, внутренний диаметр 15 мм, высота H_k 4 мм, с осевой поляризацией и электродами на торцевых поверхностях. Пьезоэлемент обеспечивал излучение и прием механических волн в диапазоне частот от 80 до 500 кГц.

Коэффициент преобразования изготовленных преобразователей составлял 55 - 60 дБ относительно 1 В/м/с, в то время как аналогичные средства измерений имеют чувствительность на (20 60) дБ ниже (с учетом нагрузки соединительных кабелей, применения более высокотемпературной пьезокерамики).

Использование: неразрушающий контроль объектов. Сущность изобретения: объект 10 излучает механические волны, которые проходят через основание 2 и вызывают деформацию пьезоэлемента 5. Электрический сигнал, снимаемый с электродов пьезоэлемента 5, передается через согласующий трансформатор 7, который согласует выходной импеданс пьезоэлемента 5 с входным импедансом кабеля 9. Трансформатор 8 используется для согласования импеданса кабеля 9 с входным сопротивлением усилительно-преобразовательной аппаратуры. 6з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Пьезоэлектрический преобразователь акустической эмиссии, содержащий корпус, основание, расположенные последовательно на нем изолятор и пьезоэлемент в виде диска, первый трансформатор, подключенный первичной обмоткой к пьезоэлементу, второй трансформатор, установленный вне корпуса и подключенный посредством кабеля первичной обмоткой к вторичной обмотке первого трансформатора, и крепежный элемент для установки основания на контролируемом объекте, отличающийся тем, что первый трансформатор установлен внутри корпуса, основание выполнено составным из последовательно соединенных диска, на котором расположен изолятор, усеченного конуса и стержня, минимальную резонансную частоту пьезоэлемента выбирают много меньшей минимальной частоты механических волн, излучаемых объектом, а диаметр D₁ диска основания, диаметр D_п э пьезоэлемента и диаметр D₂ стержня выбирают из условий
D₂ < D_п э < c/2f_m a x; D₁ > D_пэ,
где c скорость звука в материале основания;
f_m a x максимальная частота механических волн, излучаемых объектом. 2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что пьезоэлемент выполнен из пьезокерамического материала с температурой точки Кюри Т_к, меньшей максимальной температуры T_m a x объекта, основание выполнено из стали, а длина L стержня основания выбрана из неравенства
L > α(T_max- T_К),
где α = (0,6 1,5) мм/^oС эмпирический коэффициент. 3. Преобразователь по п.2, отличающийся тем, что первый трансформатор выполнен на основе кольца из феррита с температурой точки Кюри, меньшей максимальной температуры объекта. 4. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что введен пьезоэлемент в виде кольца с осевой поляризацией и электродами на торцевых поверхностях, установленный соосно на торцевой поверхности диска основания, а толщина Н_к пьезоэлемента выбрана из условия
Н_к ≅ Н_п э,
где Н_п э толщина пьезоэлемента в виде диска. 5. Преобразователь по п.4, отличающийся тем, что кабель выполнен с двумя изолированными друг от друга экранами, один из которых электрически соединен с основанием и заземлен, а другой электрически соединен с сигнальным электродом пьезоэлемента в виде кольца. 6. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что крепежный элемент выполнен в виде винта на стержне основания для обеспечения контактирования объекта с по крайней мере частью торцевой поверхности стержня основания. 7. Преобразователь по п.6, отличающийся тем, что винт и стержень основания выполнены за одном целое.