СПОСОБ ФОНОНОЭМИССИОННОЙ ДИАГНОСТИКИ Российский патент 2016 года по МПК G08C17/02 G01N25/72 

Изобретение относится к области сбора и обработки информации и может быть использовано при диагностике дефектного состояния объекта, геометрическое размеры которого не влияют на результат диагностики.

В кристаллических материалах атомы и молекулы активно взаимодействуют между собой, и рассматривать в них такие термодинамические явления, как колебания отдельных атомов, затруднительно - получаются огромные системы из триллионов связанных между собой линейных дифференциальных уравнений, аналитическое решение которых невозможно. Гораздо удобнее рассматривать согласованные колебания атомов кристалла как распространение в нем системы звуковых волн, квантами которых и являются фононы. Термин введен по аналогии с квантом электромагнитного поля - фотоном. Спин фонона равен нулю. Фонон принадлежит к числу бозонов и описывается статистикой Бозе-Эйнштейна (Большая Советская энциклопедия, 3-е изд., М.: Советская энциклопедия, 1969-1978, http://bse.sci-lib.com/article116912.html, Физический энциклопедический словарь, М.: Большая Российская энциклопедия, 1995).

Понятие фонона позволяет описать тепловые и другие свойства кристаллов, используя методы кинетической теории газов. Фононы в большинстве случаев представляют собой главный тепловой резервуар твердого тела. Теплоемкость кристаллического твердого тела практически совпадает с теплоемкостью газа фононов. Теплопроводность кристалла можно описать как теплопроводность газа фононов, теплосопротивление которого обеспечивается процессами переброса. Рассеяние электронов проводимости при взаимодействии с фононами - основной механизм электросопротивления металлов. Способность электронов проводимости излучать и поглощать фононы приводит к притяжению электронов друг к другу, что при низких температурах является причиной перехода ряда металлов в сверхпроводящее состояние. Излучение фононов возбужденными атомами и молекулами тел обеспечивает возможность безызлучательных электронных переходов. В релаксационных процессах в твердых телах фононы обычно служат стоком для энергии, запасенной другими степенями свободы кристалла, например, электронными.

Фононная диагностика основана на диагностике физических процессов в материалах и конструкциях в ходе их протекания в реальном времени. Это позволяет осуществлять диагностику технического состояния объектов в реально сложившихся условиях, в ненагруженном, частично нагруженном и полностью нагруженном состоянии, без вмешательства, изменения режимов, остановки и прерывания процессов и производств, на любой стадии изготовления, испытания, эксплуатации и ремонта.

Объекты техносферы - трубопроводы, оборудование, здания, сооружения и т.д. - изготовлены из тех или иных материалов - стали, бетона, дерева, стеклопластика и др. В процессе эксплуатации объекты техносферы, вернее материалы, из которых они изготовлены, испытывают воздействия - механические, тепловые, магнитные, т.е. к ним подводится внешняя энергия. Сами материалы имеют свою внутреннюю энергию, энергию межатомных связей материалов - фононную энергию. В процессе эксплуатации происходит взаимодействие материала и энергии. Т.е. внешне подводимая энергия взаимодействует с материалом, точнее, с внутренней энергией - фононной энергией материала. Это означает, что в объектах техносферы существует и действует реакция взаимодействия фононной энергии материала и внешне подводимой энергии. В результате этого энергетического взаимодействия происходят процессы перераспределения, концентрации и выделения (излучения) энергии материалом т.е. фононное излучение и формирование в материале и вокруг него полей излучения фононной энергии, так называемых фононных энергоинформационных полей.

Одним из результатов фононной реакции, взаимодействия энергии и материала является зарождение и протекание в материале различных физических процессов - концентрации напряжений, возникновение деформаций, коррозии, коррозионных повреждений, утонений, усталостных повреждений, дефектов, разрушений. Поля фононного излучения наиболее интенсивны и концентрированы в тех местах, где происходят процессы коррозии, повреждения, дефектообразования и разрушения. Распределение, уровень, интенсивность, концентрация и другие параметры фононных полей непосредственно характеризуют процессы, происходящие в конструкции, определяют состояние материала, характеризуют техническое состояние конструкций.

Таким образом, диагностика фононных энергоинформационных полей конструкции позволяет проводить в реальном времени диагностику физических процессов, протекающих в конструкции. В свою очередь это позволяет осуществлять диагностику технического состояния конструкции по фононным энергоинформационным полям, т.е. проводить фононную диагностику технического состояния техносферы.

Известен способ сбора информации (RU 2230368, G08C 17/02, G08C 19/00, опубл. 10.06.2004) от датчиков, установленных на диагностируемом объекте с использованием системы радиосинхронизации получаемой информации. Принят в качестве прототипа для заявленных способа и устройства.

Этот способ фононной диагностики включает в себя размещение на диагностируемом объекте, по меньшей мере, двух датчиков в виде низкочастотных преобразователей фононной эмиссии, соединенных с пунктом сбора информации, (промышленные компьютеры), каждый из которых предназначен для регистрации информации, поступающей от указанных низкочастотных преобразователей, и укомплектован платой, снабженной формирователем-приемником синхронизирующих импульсов, осуществляют выработку формирователем-передатчиком импульсов синхронизирующего сигнала для указанных низкочастотных преобразователей, причем формирователь-передатчик импульсов синхронизирующих сигналов, содержащий задающий генератор, обеспечивающий независимо от положения фронтов управляющих сигналов формирование неискаженных по длительности синхронизирующих импульсов на выходе, вырабатывает синхронизирующий сигнал, который по радиоканалу с использованием передающей радиостанции поступает на приемные радиостанции формирователей-приемников синхронизирующих импульсов, на каждом промышленном компьютере с точностью до 0,05 мс регистрируют время поступления синхронизирующего сигнала, при этом в записанную промышленными компьютерами информацию о состоянии диагностируемого объекта поступает синхронизирующий сигнал, обеспечивающий возможность синхронизации поступающей от всех низкочастотных преобразователей информации о состоянии диагностируемого объекта.

Недостатком известного способа следует признать наличие системы радиосинхронизации, кабельных трасс, а также использование морально устаревших и промышленно не изготовляемых в настоящее время электронных компонентов системы сбора информации на основе компьютерной шины ISA, таких как плата AEDSP-32/16. Кроме того программное обеспечение для работы с этими платами не поддерживается какой-либо из существующих в настоящее время современных операционных систем.

Техническая задача, на решении которой направлено предлагаемое изобретение, состоит в разработке системы с современными актуальными компонентами для сбора и обработки информации при фононной диагностике дефектного состояния объекта с использованием радиоканала для связи датчиков фононной эмиссии и компьютера без использования системы радиосинхронизации.

Технический результат, получаемый в реализации предложенного изобретения состоит в повышении быстродействия и качества обработки информации; сокращению временных затрат на подготовку и проведение диагностики; снижению трудоемкости процесса диагностики и обработки результатов.

Для достижения предложенного технического результата предложено использовать способ фононоэмиссионной диагностики, включающий размещение на диагностируемом объекте, по меньшей мере, двух датчиков, соединенных с компьютером. При этом все используемые датчики подключают к единому компьютеру посредством радиоканала, каждый датчик имеет свой источник питания, встроенный предусилитель 40 dB и встроенную защищенную от индустриальных помех радиоканальную систему приема-передачи информации в режиме связи с компьютером, а компьютер, регистрирующий информацию, поступающую от указанных датчиков, и укомплектованный платой, снабженной приемником сигналов, также имеет защищенную от индустриальных помех радиоканальную систему приема-передачи информации с датчиками, при этом для сбора и обработки информации от датчиков используется плата PCI-2 на основе 32-разрядной компьютерной шины и все платы объединены в едином компьютере посредством 59-жильного компьютерного коннектора-шлейфа, а каждая PCI-2 плата содержит 2 канала для подключения датчиков, каждый датчик подключается к одному каналу платы, 18-разрядный аналого-цифровой преобразователь платы имеет возможность непрерывной записи на жесткий диск до 10 миллионов выборок в секунду, при этом разработанное программное обеспечение на основе гибридного ядра синхронизирует все PCI-2 платы и управляет ими так, что имеется возможность осуществлять сбор и обработку информации о дефектном состоянии объекта в реальном времени, таким образом, нет необходимости в использовании какой либо внешней системы радиосинхронизации и кабельных трасс с неизбежными потерями полезного сигнала и промежуточными итерациями в сборе и последующей обработке информации - процесс сбора и обработки информации объединен, проходит в реальном времени и непрерывен.

Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.

Настоящее изобретение поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.

На фиг.1 - блок-схема устройства, реализующего заявленный способ.

Согласно настоящему изобретению рассматривается новый способ фононоэмиссионной диагностики и контроля состояния объекта, геометрическое размеры которого не влияют на результат диагностики. Данный способ позволяет диагностировать объекты, протяженные или имеющие большую площадь, что порой невозможно осуществить с использованием известных способов диагностики и контроля.

В рамках описания настоящего изобретения будут использованы следующие понятия:

- фононоэмиссионная диагностика - диагностика дефектного состояния объекта, основанная на регистрации и анализе эмиссии фононной энергии. Фононная энергия это энергия на уровне межатомных связей любых твердых тел. Причиной эмиссия фононной энергии является любая деформация и изменение структуры твердого тела;

- датчик фононной эмиссии - преобразователь фононной энергии, преобразующий выделяющуюся фононную эмиссию в электрический сигнал;

- компьютер - переносной компьютер промышленного исполнения в едином корпусе, имеющий одну и более компьютерную шину стандарта PCI-2, предназначенный для возможности работы в полевых условиях;

Для достижения предложенного технического результата предложено использовать способ фононоэмиссионной диагностики, заключающийся в размещении на диагностируемом объекте 1 разнесенных на расстоянии друг от друга датчиков 2 в виде низкочастотных преобразователей фононной эмиссии, подключении указанных датчиков 2 к компьютеризированному средству 3 сбора информации, предназначенному для регистрации информации, поступающей от указанных датчиков, переводят указанные датчики 2 в режим регистрации фононной эмиссии и осуществляют сбор сигналов от датчиков и их обработку для получения текущих состояний диагностируемого объекта и сравнительного анализа этих состояний в разные временные интервалы для регистрации изменений указанного объекта в сторону дефектного состояния.

Для обеспечения связи в режиме удаленного доступа датчики 2 в виде низкочастотных преобразователей фононной эмиссии оснащают встроенным защищенным от индустриальных помех радиоканальным блоком 4 передачи информации в виде сигналов на радиоканальный блок 5 приема-передачи информации общего компьютера (выполняющего функцию компьютеризированного средства 3 сбора информации). При включении указанных датчиков 2 для работы в режиме регистрации фононной эмиссии сначала осуществляют опрос всех датчиков на их работоспособность и калибровку на основании эталонной модели объекта 6 (для каждого объекта, подлежащего исследованию создается отдельная эталонная модель, имитирующая объект без дефектов), а затем переводят указанные датчики в режим непрерывной регистрации фононной эмиссии и осуществляют непрерывный сбор сигналов от этих датчиков по отдельному каналу для каждого датчика для записи показаний каждого датчика на жесткий диск общего для всех датчиков компьютеризированного средства 3 сбора информации, и осуществляют в последнем построение графического или цифрового отображения 7 в режиме реального времени текущего состояния объекта по сигналам датчиков, отобранным в один и тот же для всех датчиков момент времени.

Способ реализуется следующим образом. Датчики 2 фононной эмиссии устанавливают на диагностируемом объекте 1. Подключают компьютер к источнику питания. Запускают разработанное программное обеспечение. Проводят в программной среде настройку радиоканала 8 между датчиками и компьютером, оценивают защищенность радиоканала от промышленных помех. Осуществляют соединение датчиков и компьютера в программной среде. Проводят опрос всех датчиков и проверяют их работоспособность. Проводят калибровку диагностируемого объекта в программной среде, используя готовые модели и уникальные данные для каждого объекта. Проводят пробный мониторинг в течение 30 минут, определяя точность калибровки для диагностируемого объекта и работоспособность датчиков фононной эмиссии в режиме сбора информации и качество получаемых сигналов в режиме обработки информации. Далее запускают рабочий мониторинг в течение 2 часов с непрерывным сбором и обработкой информации.

Возможности применения системы будут раскрыты с использованием следующих примеров.

При проведении фононоэмиссионной диагностики двухкилометрового магистрального газопровода использовалась восьмиканальная система с восьмью датчиками. Четыре датчика устанавливались на одном конце участка газопровода, остальные четыре на другом. Система фононоэмиссионной диагностики устанавливалась рядом с одним концом газопровода. Развертывание системы в полевых условиях, установка датчиков, настройка радиоканала, установка соединения датчиков с компьютером заняло 1,5 часа. Проведение калибровки всех датчиков проводилось в течение 1 часа. Длительность сбора, обработки и получения данных о реальном состоянии объекта составило 2 часа. Время проведения фононоэмисисонной диагностики с использованием кабельных трасс, системы радиосинхронизации и системы обработки информации на основе PCI-2 карты и соответствующего программного обеспечения с получением данных о реальном дефектном состоянии диагностируемого объекта составляет не менее 3 дней. Точность локализации дефектов при проведении фононоэмиссионной диагностики, оцененная стандартными методами неразрушающего контроля составляла менее 1% от расстояния между датчиками, при этом доверительная вероятность выборки дефектов - не менее 0,9.

Настоящий способ реализуется системой фононоэмиссионной диагностики, содержащей размещаемые на диагностируемом объекте датчики 2, представляющие собой низкочастотные преобразователи фононной эмиссии, соединенные с компьютером в режиме удаленного доступа, при этом компьютер оснащен средством 9 для сбора сигналов, поступающих от указанных датчиков, средством 10 для записи указанных сигналов и их хранения и средством 11 для сравнительной обработки информации, построенной на указанных сигналах, для определения непрерывного текущего состояния объекта в реальном времени и его изменения в сторону дефектного состояния.

Для всех указанных датчиков использован общий компьютер, с которым эти датчики связаны посредством радиоканала/ов, каждый датчик выполнен с собственным источником питания, встроенным предусилителем 40 dB и встроенным защищенным от индустриальных помех радиоканальным блоком передачи информации в виде сигналов на радиоканальный блок приема-передачи информации общего компьютер.

Общий компьютер укомплектован платами PCI-2 на основе 32-разрядной компьютерной шины, все эти платы объединены посредством 59-жильного компьютерного коннектора-шлейфа, а каждая плата PCI-2 содержит два канала для подключения к каждому одного датчика, и 18-разрядный аналого-цифровой преобразователь для обеспечения возможности непрерывной записи сигналов от каждого подключенного датчика на жесткий диск. 18-разрядный аналого-цифровой преобразователь платы имеет возможность непрерывной записи на жесткий диск до 10 миллионов выборок в секунду. Разработанное программное обеспечение на основе гибридного ядра синхронизирует все PCI-2 платы и управляет ими так, что имеется возможность осуществлять сбор и обработку информации о дефектном состоянии объекта в реальном времени.

Таким образом, нет необходимости в использовании какой-либо внешней системы радиосинхронизации и кабельных трасс с неизбежными потерями полезного сигнала и промежуточными итерациями в сборе и последующей обработке информации - процесс сбора и обработки информации объединен, проходит в реальном времени и непрерывен.

Компьютер для сбора и обработки информации содержит разработанное программное обеспечение для операционной системы семейства Windows NT, включающее модуль сбора в полуавтоматическом режиме и модуль обработки информации в реальном времени с расширенными функциями. Разработанное программное обеспечение имеет множество готовых моделей самых распространенных диагностируемых объектов (трубопровод, сосуд, резервуар) с минимальным набором изменяемых входных данных для калибровки фононоэмиссионной системы.

Изобретение относится к области сбора и обработки информации. Техническим результатом является обеспечение синхронизации моментов получения сигналов от датчиков независимо от их удаленности и места положения при использовании общего компьютеризированного средства сбора информации. В способе фононоэмиссионной диагностики для обеспечения связи в режиме удаленного доступа датчики в виде низкочастотных преобразователей фононной эмиссии оснащают встроенным защищенным от индустриальных помех радиоканальным блоком передачи информации в виде сигналов на радиоканальный блок приема-передачи информации общего компьютера, при этом при включении указанных датчиков для работы в режиме регистрации фононной эмиссии сначала осуществляют опрос всех датчиков на их работоспособность и калибровку на основании эталонной модели объекта, а затем переводят указанные датчики в режим непрерывной регистрации фононной эмиссии и осуществляют непрерывный сбор сигналов от этих датчиков по отдельному каналу для каждого датчика для записи показаний каждого датчика на жесткий диск общего для всех датчиков компьютеризированного средства сбора информации и отображают текущее состояние объекта по сигналам датчиков, отобранным в один и тот же для всех датчиков момент времени. 1 ил.

Способ фононоэмиссионной диагностики, заключающийся в размещении на диагностируемом объекте разнесенных на расстоянии друг от друга датчиков в виде низкочастотных преобразователей фононной эмиссии, подключении указанных датчиков к компьютеризированному средству сбора информации, предназначенному для регистрации информации, поступающей от указанных датчиков, переводят указанные датчики в режим регистрации фононной эмиссии и осуществляют сбор сигналов от датчиков и их обработку для получения текущих состояний диагностируемого объекта и сравнительного анализа этих состояний в разные временные интервалы для регистрации изменений указанного объекта в сторону дефектного состояния, отличающийся тем, что для обеспечения связи в режиме удаленного доступа датчики в виде низкочастотных преобразователей фононной эмиссии оснащают встроенным защищенным от индустриальных помех радиоканальным блоком передачи информации в виде сигналов на радиоканальный блок приема-передачи информации общего компьютера, при этом при включении указанных датчиков для работы в режиме регистрации фононной эмиссии сначала осуществляют опрос всех датчиков на их работоспособность и калибровку на основании эталонной модели объекта, а затем переводят указанные датчики в режим непрерывной регистрации фононной эмиссии и осуществляют непрерывный сбор сигналов от этих датчиков по отдельному каналу для каждого датчика для записи показаний каждого датчика на жесткий диск общего для всех датчиков компьютеризированного средства сбора информации и осуществляют в последнем построение графического или цифрового отображения в режиме реального времени текущего состояния объекта по сигналам датчиков, отобранным в один и тот же для всех датчиков момент времени.