Устройство для акустико-эмиссионной диагностики трубопроводов Советский патент 1990 года по МПК G01N29/04 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля качества изделий по сигналам акустической эмиссии (АЭ) и может быть использовано для контроля и диагностики газо- и нефтепроводов при их испытаниях и эксплуатации.

Целью изобретения является повышение точности за счет определения разности в ремени прихода гармонических составляющих сигнала A3 путем измерения сигнала на двух уровнях дискриминации и измерения энергетических параметров сигнала с учетом затухания волн АЭ в материале изделия.

На фиг.1 представлена структурная схема устройства для акустикоэмиссионного контроля трубопроводов; на фиг. 2 - временные диаграммы сш- налов A3,, поясняющие работу устройства ,

Устройство для акустико-эмиссион- ной диагностики трубопроводов содержит соединенные последовательно электроакустический преобразователь I и усилитель 2, соединенные последовательно первый фильтр 3, вход которого соединен с. выходом усилителя 2, первый детектор 4 и первый блок 5 дифференцирования, соединенные последовательно второй фильтр 6, вход которого соединен с выходом усилителя 2- второй детектор 7 и второй блок 8 дифференцирования, первый и

&3

о

&0

Агорой источники 9,10 опорного напря- Жения, соединенные последовательно первый блок 11 вычитания, первый пход которого соединен с выходом пер- isoro источника 9 опорного напряжения, а второй - с выходом второго источника 10 опорного напряжения, и блок 12 деления, второй вход которого соединен с выходом аервого ис- Сочника 9 опорного напряжения,первый

3 и второй 14 компараторы напряжений, первый вход которых соединен с ныходом первого блока 5 дифференцирования, третий и четвертый компа- раторы 15,16 напряжений, первый вход которых соединен с выходом второго рлока 8 дифференцирования, соединен- i ые последовательно первый преобразователь 17 время-напряжение,первый дход которого соединен с выходом первого компаратора 13 напряжений, а второй - с выходом второго компара тора 14 напряжений, первый блок 18 умножения, второй вход которого сое- динен с выходом блока 12 деления, первый пиковый детектор 19, второй елок 20 вычитания, блок 21 суммирования, второй блок 22 умножения,второй пиковый детектор 23 и блок 24 вывода Информации, соединенные последовательно второй преобразователь 25 йремя-напряжение, первый вход которого соединен с выходом третьего ком- Царатора 15 напряжений, а второй - ct выходом четвертого компаратора 16 йапряжений, третий блок 26 умножения Второй вход которого соединен с выходом блока 12 деления, и третий пико- йьтй детектор 27, выход которого соединен с вторым входом второго блока 20 вычитания, третий преобразователь 28 время-напряжение, первый вход которого соединен с выходом второго Компаратора 14 напряжений, второй - с выходом четвертого компаратора 16 напряжений, а выход с вторым входом 21 суммирования, соединенные последовательно четвертый блок 29 умножения, первый вход которого соединен с выходом усилителя 2, а второй с выходом третьего пикового детектора 23, квадратор 30 и блок 31 интегрирования, выход которого соединен с вторым входом блока 24 вывода Информации, четвертый пиковый детектор 32, первый вход которого соединен с выходом четвертого блока 29 ум чожеипя, а выход с третьим входом

блока 24 вывода информации, блок 33 управления, первый выход КОТОРОГО соединен с вторым входом блока 22 умножения, а второй с вторым входом первого - четвертого 19,, 23, 27, 32 пиковых детекторов. Второй вход первого и третьего компараторов 13, 15 напряжений соединен с выходом первоА го источника 9 опорного напряжения. Второй вход второго и четвертого компараторов 14,16 напряжений соединен с выходом второго источника 10 опорного напряжения.

Устройство для акустико-змиссион- ной диагностики трубопроводов работает следующим образом.

На контролируемый трубопровод (не показан) устанавливают приемный электроакустический преобразователь 1. Вследствие дисперсии звука в трубопроводе время распространения различных гармонических составляющих акустического сигнала от источника до приемника АЭ неодинаково. Таким образом, по разности времени прихода (Ј) этих гармоник можно судить о расстоянии (l) источника до при

емника: 1

- VC-, где

Ь 4 - (j

С, GЈ - скорости распространения различных гармонических составляющих акустического сигнала

Импульсы АЭ регулируются приемным преобразователем 1, усиливаются усилителем 2 и поступают на блоки 3, 6 фильтров, где происходит выделение гармонических составляющих различных частот, после чего эти составляющие поступают каждая на свой детектор (первый и второй детекторы 4,7). Детекторы 4,7 имеют большую постоянную времени и обеспечивают нарастание переднего фронта сигнала по закону, близкому к линейному. Первый и второй блоки 5 и 3 дифференцирования служат для обеспечения линейного закона изменения переднего фронта огибающих гармонических составляющих акустического сигнала, С блоков 5,8 дифференцирования продифференцированные сигналы подаются на компараторы 13-16 напряжений, которые формируют временной интервал, равный разности времени прихода различных гармоник акустического сигнала к приемному преобразователю 1 на уров51

не выбранного порога дискриминации. Компараторы 13-16 напряжений формируют также временной интервал,равный длительности сигналов на выходах дифференцирующих блоков 5,8 между двум уровнями дискриминации, устанавливаемых с помощью источников 9,10 опорного напряжения. При превышении сигналом (U,r) установленного порога дискриминации (П) формируется передний фронт сигнала (U), а задний фронт сигнала (Uut) формируется при превышении сигналом Uir этого же

уровня дискриминации; II1Г - передний фронт сигнала на выходе блока 5 дифференцирования (гармоническая составляющая акустического сигнала,пришедшая во времени первой к приемному преобразователю), - то же, на выходе блока 8 дифференцирования (гармоническая составляющая, запаздывающая во времени вследствие дисперсии относительно сигнала (Uir). Погрешность определения времени задержки й1У будет определяться выражением ЬЪ U4(l/Sft - 1/S), где Зг - крутизна переднего фронта сигнала. Избавиться от этой погрешности представляется возможным при определении длительности сигнала (Х(, Хг) от его фактического (физического) начала до уровня порога дискриминации, В этом случае разность времени прихода сигналов может быть записана (фиг.2):

Ј Х4 +

X, - X,

Для вычисления величины (Ј) устанавливаются для сигнала два уровня дискриминации (U, и U4) и тогда можно записать для сигнала U,r и аналогично для сигнала Пгг:

где Xt, Хй - длительность переднего фронта сигнала от его физического начала до уровня дискриминации U2, &t, , u.t - длительность сигнала от уровня дискриминации U до U2.

0

Измерение f производится следующим образом. С выхода первого блока 5 дифференцирования сигнал гармонической составляющей акустического сигнала, скорость распространения которой выше, поступает на первый вход первого и на первый вход второго компараторов 13,14 напряжений, а с выхода второго блока 8 дифференцирования на первый вход третьего и на первый вход четвертого компараторов 15,16 напряжений поступает сигнал от второй гармонической

5 составляющей. По вторым входам первого и третьего компараторов 13, 15 напряжений с помощью первого источника 9 опорного напряжения устанавливается порог дискриминации (им),

0 а по второму входу второго и четвертого компараторов 14, 16 напряжений с помощью второго источника 10 опорного напряжения устанавливается порог дискриминации (U4) и при этом

5 Ui t. U. Эти уровни напряжений подаются также на входы первого блока 1 вычитания, где они вычитаются и на выходе первого блока 11 вычитания формируется постоянное напряжение с

0 амплитудой A.U Ui - U, „

На первый вход блока 12 деления поступает разность напряжений UU U - U1 а на второй напряжение U г и на его выходе получается постоянное напряжение UUt );

При. достижении сигналом с выхода первого блока 5 дифференцирования уровня напряжения на выходе первого источника 9 опорного напряжения срабатывает первый компаратор 13 напряжений. Импульс с его выхода включает первый преобразователь 17 время- напряжение. При достижении сигналом с выхода первого блока 5 дифференцирования уровня напряжения, равного напряжению на выходе второго источника 10 опорного напряжения,срабатывает второй компаратор 14 напряжений, прекращая тем самым работу первого преобразователя 17 время-напряжение, и таким образом на выходе последнего формируется напряжение, амплитуда которого пропорциональна е длительности (frt,) переднего фронта сигнала на выходе первого блока 5 дифференцирования от уровня напряжения (П) до уровня напряжения (U4). Это напряжение подается на первый

5

0

5

0

вход первого блока 18 умножения, а на его второй вход подается напряжение (uUt) с выхода блока 12 целения, равное UU, H4/(U4 - 1)о В первом блоке 18 умножения эти напряжения перемножаются и на его выходе формируется напряжение, амплитуда которого пропорциональна длительност (Хх) переднего фронта сигнала. Это напряжение запоминается первым пико вым детектором 19, Аналогичным обра- зо м с помощью третьего и четвертого компараторов 15,16 напряжений, второго преобразователя 2.5 время-напряжение и третьего блока 26 умножения на вцходе третьего пикового детектора 27 формируется напряжение, амплитуда которого пропорциональна длительности (Х2) переднего фронта сигнала на выходе второго блока 8 дифференцирования от уровня напряжения (Uj ) до уровня напряжения (U2), Постоянные уровни напряжений с выходов первого и третьего пиковых детекторов 19,27 поступают на второй блок 20 вычитания, на выходе которого получают сигнал с амплитудой, равной раз- но|сти этих напряжений (X ,, - Xg). Второй и четвертый компараторы 14,16 напряжений управляют также работой третьего преобразователя 28 вр|емя-напряжение, выходное напряже- ш|е которого с амплитудой, пропор- ц ональной разности времени прихода двух гармоник сигнала на уровне большего порога дискриминации,,подается на второй вход блока 21 суммирования , входу которого подключен вы

0

ходимое время вторым пиковым детектором 23.

Сигнал с выхода усилителя 2 поступает также на первый вход четвертого блока 29 умножения, а на его второй вход поступает сигнал с выхода второго пикового детектора 23„.Таким образом, на выходе четвертого блока 29 умножения получается сигнал акустической эмиссии с амплитудой,скорректированной с учетом длительности пути пройденного им, т.е. с учетом коэффициента затухания в материале трубопровода. Далее этот сигнал поступает на четвертый пиковый детектор 32 и на квадратор 30, где значение скорректированной амплитуды сигнала возводится в квадрат и подается на блок 31 интегрирования, который осуществляет вычисление энергии (Е) сигнала акустической эмиссии согласно выра- т „а,

жению Е ,U (t)dt.

Ha блок 24 вывода информации поступает информация с третьего пикового детектора 23 о расстоянии от источника до приемника сигнала акустической эмиссии, с четвертого блока 29 умножения о амплитуде импульсов акустической эмиссии и с блока 31 интегрирования о энергии импульсов

акустической эмиссии. 1

После вывода информации с блока

24 вывода информации блок 33 управления приводит устройство в исходное состояние.

Таким образом, данное устройство

Изобретение касается неразрушающего контроля качества изделий по сигналам акустической эмиссии /АЭ/ и может быть использовано для контроля и диагностики газо- и нефтепроводов при их испытаниях и эксплуатации. Целью изобретения является повышение точности за счет определения разности времен прихода гармонических составляющих сигналов АЭ путем измерения сигнала на двух уровнях дискриминации и измерения энергетических параметров сигнала с учетом затухания волн АЭ в материале изделия. Разность Τ времен прихода двух гармонических составляющих сигнала определяется в устройстве в соответствии с выражением Τ = X₄ + X₁ - X₂, где X₄ - разность времен прихода, измеренная на втором уровне дискриминации

X₁ и X₂ - длительности переднего фронта гармонических составляющих сигнала от его физического начала /первый уровень дискриминации/ до второго уровня дискриминации. 2 ил.

45

ход второго блока 20 вычитания. Таким до позволяет повысить точность диагнос-,

тики за счет введения блоков, повышающих точность пространственно-временной селекции сигналов АЭ и определяющих энергию АЭ с учетом затухания воли АЭ в материале.

Формула изобретения

Устройство для акустико-эмиссион- ной диагностики трубопроводов,содержащее соединенные последовательно электроакустический преобразователь и усилитель, первый и второй фильтры, входы которых соединены с выходом усилителя, блок управления, блок вывода информации, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, оно снабжено соединенными последовательно первым детектообразом, на выходе блока 21 суммиро- в;1ния получаем напряжение, амплитуду которого пропорциональна разности времени прихода двух гармоник сигнала К с учетом их физического времени прихода к приемному преобразователю 1 ,

Напряжение с выхода блока 21 суммирования подается на первый цход второго блока 22 умножения, а на его второй вход поступает с блока 33 уп- . равления напряжение, амплитуда которого пропорциональна скорости (V). Следовательно, на выходе второго блока 22 умножения формируется напряжение с амплитудой, пропорциональной расстоянию от источника до приемника сигналов акустической эмиссии. Зчо напряжение запоминается на пеоб50

55

9I

ром и первым блоком дифференцирования, соединенными последовательно вторым детектором и вторым блоком дифференцирования, соединенными последовательно первым блоком вычитания и блоком деления, соединенными последовательно первым преобразователем время-напряжение, первым блоком умно жения, первым пиковым детектором, вторым блоком вычитания, блоком суммирования, вторым блоком умножения и вторым пиковым детектором, соединенными последовательно вторым преобразователем время-напряжение, третьим блоком умножения и третьим пиковым детектором, соединенными последовательно четвертым блоком умножения, квадратором и блоком интегри рования, первымэ вторым, третьим и четвертым компараторами напряжений, первым и вторым источниками опорного г напряжения, третьим преобразователем время-напряжение, четвертым пиковым детектором, вход первого детектора соединен с выходом первого фильтра, вход первого блока дифференцирования соединен с первым входом первого и второго компараторов напряжений, вход второго детектора соединен с выходом второго фильтра, выход второго блока дифференцирования соединен с первым входом третьего и четвертого компараторов напряжений, первый вход первого блока вычитания соединен с выходом первого источника опорного напряжения, а второй - с выходом второго источника опорного напряжения, второй вход блока деления соединен с выходом первого источника опорного напряжения, первый вход первого преобразователя время-напряжение соединен с выходом первого компаратора напряжений, а второй - с

3630410

выходом второго компаратора напряжений, второй вход первого блока умножения соединен с выходом блока деления, второй вход второго блока умножения соединен с первым выходом блока управления, выход второго пикового детектора соединен с первым входом блока вывода информации, первый

Q вход второго преобразователя время- напряжение соединен с выходом третьего компаратора напряжений, а второй - с выходом четвертого компаратора напряжений, второй вход

15 третьего блока умножения соединен с выходом блока деления, выход третьего пикового детектора соединен с вторым входом второго блока вычитания, первый вход третьего преобразо20 вателя время-напряжение соединен с выходом второго компаратора напряжений, второй вход - с выходом четвертого компаратора напряжений, а выход - с вторым входом блока суммкро25 вания, выход блока интегрирования соединен с вторым входом блока вывода информации, вход четвертого пикового детектора соединен с выходом четвертого блока умножения, а выход 30 с третьим входом блока вывода информации, второй выход блока управления соединен с вторым входом первого, второго, третьего и четвертого пиковых детекторов, второй вход первого и третьего компараторов напряжений соединен с выходом первого источника опорного напряжения, второй вход второго и четвертого компараторов напряжений соединен с выходом

AQ второго источника опорного напряжения, первый вход четвертого блока умножения соединен с выходом усилителя, а второй вход - с выходом второго пикового детектора.

ZHIHZH

fЈ-X(/ tXi i

Редактор О,Спесивых

Физ.г

Составитель К.Хилков

Техред Л.Сердгокова Корректор М.Шароши

©-Kp т