СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ПОВРЕЖДЕНИЙ КОНСТРУКЦИЙ И ДЕТАЛЕЙ Российский патент 2009 года по МПК G01N29/14 

Способ предназначен для диагностики повреждений в конструкциях и деталях. Сущность способа: регистрация импульсов акустической эмиссии и измерение временных задержек прихода сигналов к трем приемникам, размещенным в вершинах равностороннего треугольника и контактирующим с конструкцией. В способе предусмотрена нагрузка конструкции (детали) до появления акустической эмиссии (АЭ) и определения координат очага повреждения конструкции в прямоугольной системе координат.

Предназначаемое изобретение относится к машиностроению, в частности предназначено для определения местоположения происходящих повреждений в конструкциях и деталях.

Решение проблемы диагностики повреждений в предлагаемом изобретении основано на теореме о проекциях сторон равностороннего треугольника на прямую, вращающуюся вокруг центра равностороннего треугольника (Фиг.1), которая читается так: «Если некоторая прямая UV, первоначально совпадающая с биссектрисой АД равностороннего треугольника АВС со стороной l, вращается против часовой стрелки в плоскости треугольника вокруг его центра О, то проекции S₁, S₂, S₃ сторон треугольника на эту прямую изменяются по закону синуса, т.е.

В соответствии с теоремой временные задержки t₁, t₂, t₃ прихода фронта сигнала акустической эмиссии в вершины треугольника будут изменяться аналогично проекциям сторон треугольника (Фиг.2)

,

где l - линейные размеры стороны треугольника,

ν - скорость распространения звука в среде,

φ - угол (направление) на источник излучения сигнала.

T=l/ν - время прохождения звука в среде на расстоянии, равном l.

Таким образом, если измерены временные задержки, то φ определяется однозначно по формулам:

.

Известен способ диагностики повреждений конструкции и деталей /Р.Коллакот. Диагностика повреждений. - Изд. M.: МИР, 1989, с.103-112/, заключающийся в том, что используют 4-канальный прибор фирмы «Брюль и Къер», устанавливают 4 приемника, заключая контролируемую площадь внутрь прямоугольника, ограниченного АЭ-приемниками, измеряют временные задержки по принципу: сигнал АЭ, поступивший на любой приемник, отпирает счетчики трех остальных каналов, на входы которых подаются тактовые импульсы. Поступление сигнала АЭ в любой из остальных трех каналов запирает соответствующий счетчик. Полученный отсчет дает запаздывание АЭ-импульса в этом канале по отношению к первому из поступивших. Соотношение между тремя запаздываниями позволяет определить область образца, в которой вероятнее всего находится источник сигнал АЭ. Затем эта область образца обрабатывается другими контрольными приборами.

Основными недостатками способа являются:

- он не может определять координаты источника АЭ-сигналов, а только область, в которой повреждение может находиться;

- низкая точность определения области нахождения повреждения в толстых деталях (листах проката),

- низкая оперативность из-за сложности и длительности использования программы обработки.

Цель - повышение точности и оперативности определения местоположения повреждения конструкции и деталей при изготовлении и эксплуатации.

Поставленная цель достигается тем, что способ диагностики повреждений заключается в использовании 3-канального прибора и установке на конструкции приемников акустической эмиссии (АЭ). При нагрузке фиксируют сигналы АЭ с помощью трех приемников, установленных в вершинах равностороннего треугольника, имеющих акустический контакт с конструкцией (деталью), сторона треугольника не более 100 мм, измеряют временные задержки прихода сигнала АЭ в вершины треугольника из окружающей среды конструкции, определяют по временным задержкам направление из центра треугольника на источник излучения АЭ-сигнала, учитывают наибольшую плотность одинаковых направлений сигналов АЭ, определяют угол между направлением на источник и плоскостью размещения равностороннего треугольника, переносят треугольник с АЭ-приемниками в другую точку конструкции и выполняют те же действия, что были выполнены для первой точки размещения треугольника, определяют точку пересечения направлений из обеих точек, анализируют информацию измерений и делают выводы.

Для конструкций и деталей, толщина которых меньше 10 мм, способ реализуется следующими действиями: определяют скорость ν распространения акустических сигналов в среде, устанавливают на конструкции равносторонний треугольник со стороной l (размер не более 100 мм), в вершинах которого размещены приемники сигналов АЭ, нагружают конструкцию (деталь) до появления сигналов АЭ, измеряют временные задержки t₁, t₂, t₃ прихода сигнала к приемникам, которые на основании теоремы отвечают формулам (2)

, , ,

определяют угол φ₁ - направление на источник повреждения с первой точки установки треугольника с учетом наибольшей плотности сигналов с данного направления по формуле φ₁=arcsin(t₂/Т), устанавливают треугольник во вторую точку на конструкции, измеряют расстояние L между центрами треугольников первой и второй точками, измеряют временные задержки прихода сигнала к приемникам второй точки, определяют угол φ₂ - направление на источник повреждения со второй точки с учетом наибольшей плотности сигналов с данного направления φ₁=arcsin(t₂/T), берут значения направлений на источник излучения из первой точки и второй точки, определяют точку пересечения направлений - местоположение повреждения конструкции (детали), определяют по данным первой точки для плоскости размещения треугольника поверхностную точку и расстояние S от центра треугольника первой точки до точки пересечения направлений из первой и второй точек по формуле

где α₁ - угол между линией направления на источник АЭ из первой точки и прямой, соединяющей центры треугольников первой и второй точек,

α₂ - угол между линией направления на источник АЭ из второй точки и прямой, соединяющей центры треугольников первой и второй точек, принимают решение о пригодности конструкции по факту.

При диагностике объемных конструкций (деталей) и листов проката толщиной более 10 мм имеют место заглубленные очаги повреждений, которые не лежат в плоскости равностороннего треугольника. Для проверки, где находится очаг повреждения, необходимо вычислить по измеренным малой и малой (средней) задержкам углы, если значения углов равны, то повреждение находится в той же плоскости, что и треугольник. Направление на заглубленное повреждение из центра треугольника в описании обозначают углом β. При увеличении угла β между плоскостью размещения треугольника и направлением на точку повреждения детали измеренные временные задержки уменьшаются пропорционально своим величинам, соответствующим нахождению повреждения в плоскости треугольника, но уменьшение одной малой временной задержки влечет увеличение угла φ₂, а уменьшение другой малой (средней) временной задержки влечет уменьшение угла φ₃ на такую же величину, следовательно, истинная величина угла φ в плоскости треугольника определяется по формуле

С учетом этого операции определения местонахождения повреждения будут следующие:

используют второй вариант, в котором вычисленные значения φ_t2 и φ_t3 отличаются более чем на 2°, определяют точный угол направления на эпицентр разрушения по формуле

определяют - величину временной задержки для плоскости, в которой установлен треугольник, по формуле:

определяют β - угол на очаг повреждения из первой точки по формуле:

устанавливают треугольник во второй точке на конструкции (детали),

измеряют L - расстояние между первой и второй точками регистрации сигналов АЭ,

измеряют во второй точке временные задержки прихода сигнала к приемникам t₂ и

t₃,

определяют φ - точный угол направления на эпицентр разрушения из второй точки по формуле (6),

определяют величину временной задержки для плоскости, в которой установлен треугольник (вторая точка) по формуле (7),

определяют угол β на очаг разрушения из второй точки по формуле (8),

берут значения угла φ для первой точки и φ для второй точки и определяют точку пересечения направлений из двух точек,

определяют расстояние S от центра треугольника первой точки до точки пересечения направлений из первой и второй точек по формуле

где α₁ - угол между линией направления на источник АЭ из первой точки и прямой, соединяющей центры треугольников первой и второй точек,

α₂ - угол между линией направления на источник АЭ из второй точки и прямой, соединяющей центры треугольников первой и второй точек.

Работа предлагаемого способа (Фиг.3). Появившийся АЭ-сигнал распространяется в конструкции, достигает ближнего к очагу приемника первого канала, его счетчик начинает считать тактовые импульсы, АЭ-сигнал продвигается и достигает приемника второго канала и счетчик второго канала начинает считать тактовые импульсы, АЭ-сигнал достигает приемника третьего (дальнего от очага) канала, при этом счет тактовых импульсов во всех каналах прерывается. В результате измерены временные задержки t₁ и t₂, а третья временная задержка может быть вычислена по формуле: t₃=t₁-t₂, так как приемники установлены в вершинах равностороннего треугольника, то временные задержки пропорциональны проекциям сторон треугольника на прямую, проходящую через источник и центр треугольника. Далее по формулам для временных задержек определяют угол φ на очаг повреждения. На Фиг.3 представлена схема устройства, реализующая способ. Схема содержит три канала приема. Каждый канал состоит из последовательно соединенных: приемника - 1, усилителя - 2, компаратора - 3, триггера - 4 и счетчика - 5, мультиплексор - 8, подключенный к выходам счетчиков 5 и к входу ЭВМ9.

Схема работает следующим образом. Предположим, с направления А сигнал достигает приемника 1 среднего канала, усиливается усилителем 2 и поступает на компаратор 3. Если сигнал по уровню больше порога срабатывания компаратора 3, то он проходит и опрокидывает триггер 4, при этом включается счетчик 5, одновременно с триггера 4 сигнал подается на схему 6 совпадения. Счетчик начинает считать импульсы, поступающие с генератора 7. Через некоторое время сигнал достигает второго приемника 1 (левый канал). При этом в левом канале, как и предыдущем случае, срабатывают аналогичные элементы и счетчик 5 левого канала тоже начинает считать импульсы, поступающие с генератора 7. С приходом сигнала к третьему приемнику 1 срабатывают все элементы этого канала. При срабатывании триггера 4 этого канала на выходе схемы 6 совпадения одновременно присутствуют три сигнала, схема 6 совпадения срабатывает. При этом от ее выходного сигнала триггеры возвращаются в исходное состояние, счетчики 5 прекращают считать сигналы, а ЭВМ 9 через мультиплексор 8 считывают показания (временные задержки) счетчиков 5, вычисляет направление на источник сейсмических колебаний и запоминает результат.

Использование: для диагностики повреждений конструкций и деталей. Сущность заключается в том, что создают и регистрируют сигналы акустической эмиссии (АЭ), измеряют временные задержки прихода сигналов к трем приемникам, размещенным в вершинах равностороннего треугольника и имеющим акустический контакт с конструкцией (деталью), после чего на основании измеренных задержек прихода сигналов акустической эмиссии (АЭ) определяют область вероятного местоположения повреждения конструкции (детали). Технический результат: повышение точности и оперативности определения местоположения повреждения конструкции и деталей при изготовлении и эксплуатации. 3 ил.

Способ диагностики повреждений конструкции и деталей, включающий информацию о скорости (ν) распространения акустических сигналов (АЭ) в среде, установку приемников сигналов на конструкции (детали), нагружение конструкции до появления акустической эмиссии (АЭ), прием акустических сигналов, измерение отрезка каждой временной задержки прихода сигнала к приемникам, по которым определяют область вероятного местоположения повреждения конструкции (детали), отличающийся тем, что устанавливают на конструкции равносторонний треугольник со стороной l длиной не более 100 мм, в вершинах которого размещены приемники сигналов АЭ, при этом скорость распространения звука в треугольнике меньше скорости звука в конструкции, измеряют временные задержки t₁, t₂, t₃ прихода сигнала от источника АЭ к приемникам, при этом задержки пропорциональны проекциям сторон треугольника на нормаль к фронту сигнала АЭ, проходящей через центр треугольника, и отвечают формулам
, , ,
где φ - угол между началом отсчета (биссектриса угла А) и направлением на источник сигнала АЭ,
определяют (грубо) местоположение повреждения относительно плоскости, в которой установлен треугольник, если вычисленные значения углов φ для двух малых временных задержек равны или отличаются не более чем на 2°, то принимают, что повреждение и треугольник расположены в одной плоскости, определяют угол φ₁ - направление на источник повреждения с первой точки установки треугольника по любой из формул временных задержек t₁, t₂, t₃, например, φ₁=arcsin(t₂/T),
где T=l/ν - время прохождения звука в конструкции (детали) на расстоянии равном 1,
устанавливают треугольник во второй точке на конструкции (детали), измеряют расстояние между центрами треугольников первой и второй точек, измеряют во второй точке временные задержки прихода сигнала к приемникам, определяют угол φ₂ - направление на источник повреждения со второй точки, берут значения направлений на источник излучения из первой точки и второй точки, определяют точку пересечения направлений - местонахождение повреждения конструкции (детали), определяют угол β на очаг разрушения из второй точки по формуле , берут значения угла φ для первой точки и φ для второй точки и определяют точку пересечения направлений из двух точек, определяют расстояние S от центра треугольника первой точки до точки пересечения направлений из первой и второй точек по формуле
S=Lsinα₂/[sin(180-α₁-α₂)],
где α₁ - угол между линией направления на источник АЭ из первой точки и прямой, соединяющей центры треугольников первой и второй точек,
α₂ - угол между линией направления на источник АЭ из второй точки и прямой, соединяющей центры треугольников первой и второй точек, принимают решение о пригодности конструкции (детали),
рассматривают, при необходимости, второй вариант, в котором вычисленные значения φ_t2 и φ_t3 отличаются более чем на 2°, определяют точный угол направления на эпицентр разрушения по формуле
φ=(φ_t2+φ_t3)/2,
определяют величину временной задержки для плоскости, в которой установлен треугольник, по формуле
,
определяют угол β на очаг разрушения из первой точки по формуле
,
устанавливают треугольник во второй точке на конструкции (детали), измеряют L - расстояние между первой и второй точками регистрации АЭ, измеряют во второй точке временные задержки прихода сигнала к приемникам t₂ и t₃, определяют φ - точный угол направления на эпицентр разрушения из второй точки по формуле
φ=(φ_t2+φ_t3)/2,
определяют величину временной задержки для плоскости, в которой установлен треугольник (вторая точка) по формуле
,
определяют угол β на очаг разрушения из второй точки по формуле
,
берут значения угла φ для первой точки и φ для второй точки и определяют точку пересечения направлений из двух точек, определяют расстояние S от центра треугольника первой точки до точки пересечения направлений из первой и второй точек по формуле
S=Lsinα₂/[sin(180-α₁-α₂)],
где α₁ - угол между линией направления на источник АЭ из первой точки и прямой, соединяющей центры треугольников первой и второй точек,
α₂ - угол между линией направления на источник АЭ из второй точки и прямой, соединяющей центры треугольников первой и второй точек.