RU2665360C1 - Universal waveguide of acoustic emission signals - Google Patents

Universal waveguide of acoustic emission signals Download PDF

Info

Publication number
RU2665360C1
RU2665360C1 RU2017127608A RU2017127608A RU2665360C1 RU 2665360 C1 RU2665360 C1 RU 2665360C1 RU 2017127608 A RU2017127608 A RU 2017127608A RU 2017127608 A RU2017127608 A RU 2017127608A RU 2665360 C1 RU2665360 C1 RU 2665360C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
waveguide
heat
temperature
acoustic
acoustic emission
Prior art date
Application number
RU2017127608A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Игорь Анатольевич Растегаев
Дмитрий Львович Мерсон
Алексей Валериевич Данюк
Максим Анатольевич Афанасьев
Александр Константинович Хрусталев
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "ЛАЭС"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "ЛАЭС" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "ЛАЭС"
Priority to RU2017127608A priority Critical patent/RU2665360C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2665360C1 publication Critical patent/RU2665360C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/14Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object using acoustic emission techniques

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

FIELD: physics.SUBSTANCE: invention relates to waveguides of acoustic emission signals (AE) intended for controlling and monitoring of hazardous production facilities or their elements at temperatures outside the permissible temperature range of application of the AE converter. Universal waveguide of acoustic emission signals with superimposed heat sink elements is characterized in that the heat dissipating device is collapsible and consists of several constituent elements that allow: to carry out its mounting/dismounting during the operation of the waveguide; reorient the device to a new monitoring object, temperature mode of operation, or other waveguide; ensure the compactness of transportation and storage, as well as manufacturability in manufacturing and maintainability during operation.EFFECT: technical result consists in the possibility of ensuring the compactness of transportation and storage, as well as manufacturability in the manufacture and maintainability during operation.1 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к акустическим методам неразрушающего контроля и технической диагностики промышленного оборудования, основанных на регистрации акустических волн с помощью контактных пьезоэлектрических преобразователей, а именно, к волноводам сигналов акустической эмиссии (АЭ). Волноводы предназначены для передачи сигналов акустической эмиссии от объекта контроля к пьезоэлектрическим преобразователям во время неразрушающего контроля, технической диагностики и мониторинге работы опасных производственных объектов (ОПО) при температурах объекта выходящей за допустимый диапазон температур применения преобразователей акустической эмиссии (ПАЭ). Изобретение может быть применимо и для других методов неразрушающего контроля, основанных на приеме акустических волн.The invention relates to acoustic methods of non-destructive testing and technical diagnostics of industrial equipment, based on the registration of acoustic waves using contact piezoelectric transducers, namely, waveguides for acoustic emission signals (AE). The waveguides are designed to transmit acoustic emission signals from the test object to piezoelectric transducers during non-destructive testing, technical diagnostics and monitoring of hazardous production facilities (OPO) at object temperatures beyond the allowable temperature range for the use of acoustic emission transducers (PAE). The invention may be applicable to other non-destructive testing methods based on the reception of acoustic waves.

Применение АЭ метода для оценки технического состояния ОПО находящихся при высоких или низких температурах постоянно сопровождается риском потери работоспособности ПАЭ. К подобным задачам относятся: предварительный АЭ контроль работающего оборудования перед выводом на капитальный ремонт для установления зон повышенного внимания; периодический АЭ мониторинг оборудования во время эксплуатации; АЭ контроль пуска установок с температурным градиентом работы (холодильные, компрессорные и др.); обеспечение безопасности работы оборудования с дефектом, выявленным во время эксплуатации до ближайшего капитального ремонта и т.д.The use of the AE method for assessing the technical state of OPO located at high or low temperatures is constantly accompanied by the risk of PAE performance loss. Such tasks include: preliminary AE monitoring of operating equipment before putting it out to overhaul to establish areas of increased attention; periodic AE monitoring of equipment during operation; AE control of start-up of installations with a temperature gradient of operation (refrigeration, compressor, etc.); ensuring the safety of equipment with a defect identified during operation until the next major overhaul, etc.

Известно, что рабочая термонагруженность ПАЭ без встроенных электронных компонентов при повышенной температуре ограничивается точкой Кюри пьезоматериала (например, +50°С для ХГС-2 (SbSI+Cr), +80С° для ПВДФ (C2H2F2)n, +290°С для ЦТС-19 (Pb(ZrXTi1-X)O3), +1150°С для ниобата лития (LiNbO3) и т.д.), а для ПАЭ с встроенными электронными компонентами ограничена диапазоном рабочих температур электроники (например, рабочий диапазон температур ПАЭ с интегрированным в корпус предварительным усилителем от -30 до +80°С, без предварительного усилителя от -65 до +177°С), кроме того ПАЭ является сложным прибором, в котором применяются сварные, паяные и клеевые соединения элементов и компаудирование материалов с различными коэффициентами линейного и объемного расширения, что в следствии воздействия перепадов температуры приводит к внутренним механическим напряжениям, образованию трещин и несплошностей, ухудшая эксплуатационные параметры прибора и выводя его из строя.It is known that the working thermal loading of PAE without built-in electronic components at elevated temperature is limited by the Curie point of the piezomaterial (for example, + 50 ° С for CGS-2 (SbSI + Cr), + 80С ° for PVDF (C 2 H 2 F 2 ) n , + 290 ° С for TsTS-19 (Pb (ZrXTi 1-X ) O 3 ), + 1150 ° С for lithium niobate (LiNbO 3 ), etc.), and for PAE with built-in electronic components it is limited by the operating temperature range of the electronics ( for example, the operating temperature range of a PAE with a pre-amplifier integrated in the housing from -30 to + 80 ° C, without a pre-amplifier from -65 to + 177 ° C), except PAE is a complex device in which welded, soldered and adhesive joints of elements and compounding of materials with different coefficients of linear and volume expansion are used, which, due to temperature changes, leads to internal mechanical stresses, the formation of cracks and discontinuities, worsening the operational parameters of the device and removing it out of service.

Опасность выхода ПАЭ из работоспособного состояния во время АЭ контроля заставляет оператора осуществлять периодический контроль работоспособности АЭ каналов во время испытания. Что приводит к затягиванию сроков выполнения работ, а в случае выхода хотя бы одного преобразователя из строя к повторному АЭ контролю. Не говоря уже о том, что стоимость одного ПАЭ может быть сопоставима и даже более стоимости работ по АЭ контролю. Поэтому перед проведением АЭ контроля тщательно анализируются риски выхода из строя аппаратуры из-за превышения рабочей температуры преобразователя. Для уменьшения вероятности перегрева или захолаживания ПАЭ применяют различные технические способы снижения его термонагруженности. Одним из основных путей решения проблемы является применение акустических волноводов, которые позволяют существенно расширить область применения метода АЭ.The danger of PAE coming out of working condition during AE monitoring forces the operator to periodically monitor the efficiency of AE channels during the test. This leads to a delay in the timing of work, and in the event of failure of at least one transducer to a repeated AE control. Not to mention the fact that the cost of one PAE can be comparable and even more than the cost of work on AE control. Therefore, before conducting AE control, the risks of equipment failure due to exceeding the operating temperature of the converter are carefully analyzed. To reduce the likelihood of overheating or cooling of the PAE, various technical methods are used to reduce its thermal load. One of the main ways to solve the problem is the use of acoustic waveguides, which can significantly expand the scope of the AE method.

При конструировании акустического волновода основной проблемой является обеспечение баланса между: максимальным температурным градиентом, минимальными акустическими потерями, компактностью волновода и удобством его монтажа. Рассмотрим известные технические решения с обозначенных выше позиций обеспечения универсальности и эффективности применения АЭ волновода.When designing an acoustic waveguide, the main problem is to ensure a balance between: the maximum temperature gradient, minimum acoustic losses, the compactness of the waveguide and the convenience of its installation. Consider the well-known technical solutions from the above positions to ensure the universality and efficiency of the use of AE waveguide.

Классическим АЭ волноводом является стержневой волновод, представляющий собой гладкий металлический круглый стержень один торец которого с помощью сварного соединения (приварной волновод) или держателя (прижимной волновод) прикрепляется к объекту контроля, а на второй устанавливается пьезоэлемент или ПАЭ [1÷11].A classical AE waveguide is a rod waveguide, which is a smooth metal round rod, one end of which is attached to the test object using a welded joint (welded waveguide) or holder (clamping waveguide), and a piezoelectric element or PAE is installed on the second [1 ÷ 11].

Процесс передачи тепловой энергии обладает симметрией, т.е. при перегреве и переохлаждении на эквивалентную величину температуры наблюдается симметричный тепловой градиент, как при захолаживании волновода со стороны объекта контроля, так и при его нагреве. Рассмотрим в общем случае рассеяние тепловой энергии, подводимой к волноводу со стороны объекта контроля. Известно, что при одностороннем подводе тепла к стержню его температура по длине меняется по закону:The process of transfer of thermal energy has a symmetry, i.e. upon overheating and supercooling by an equivalent temperature, a symmetric thermal gradient is observed, both when the waveguide is cooled from the side of the control object and when it is heated. Consider in the general case the dissipation of thermal energy supplied to the waveguide from the control object. It is known that with a one-way supply of heat to the rod, its temperature along the length varies according to the law:

Figure 00000001
Figure 00000001

где tOK - объекта контроля; tOC - температура окружающей среды; m - теплофизический коэффициент, учитывающий сечение стержня и условия теплоотвода; L - длина волновода. Учитывая, что при установившемся режиме теплообмена (tOK-tOC)=const и m=const то из (1) очевидно, чтобы максимально снизить температуру на волноводе в месте установки ПАЭ t(L), необходимо увеличивать его длину (L). Использование длинного волновода приводит к увеличению затухания и искажения акустического сигнала, распространяющегося в нем. Таким образом необходимо максимально сокращать длину волновода, что особенно актуально для волноводов прижимного типа, т.к. при большой длине возникают трудности его монтажа и удержания в рабочем положении с обеспечением постоянства акустического контакта.where t OK is the object of control; t OC is the ambient temperature; m is the thermophysical coefficient, taking into account the cross section of the rod and the conditions of heat removal; L is the waveguide length. Considering that in the steady state heat transfer mode (t OK -t OC ) = const and m = const, it is obvious from (1) that in order to minimize the temperature at the waveguide at the installation site of the PAE t (L), it is necessary to increase its length (L). The use of a long waveguide leads to an increase in attenuation and distortion of the acoustic signal propagating in it. Thus, it is necessary to minimize the length of the waveguide, which is especially important for pressure waveguides, since with a long length, difficulties arise in mounting and holding it in the working position, ensuring the constant acoustic contact.

Известна конструкция прижимного АЭ волновода [12], который состоит из нескольких вкрученных друг в друга гладких стержней одинаковой длины, передний торец каждого стрежня имеет наружную резьбовую часть, а задний - внутреннюю (кроме последнего на который монтируется ПАЭ). При применении несколько стержней вкручиваются друг в друга через акустически прозрачную среду до достижения общей длины волновода L, определяемой по (1). Основным преимуществом данной конструкции является то, что волновод разъемный, а значит его можно разобрать, компактно транспортировать и собрать на другом объекте контроля изменив его длину L под новые условия (температуру) контроля. Главный недостатком данного подхода является то, что каждый торец представляет собой границу раздела фаз, а значит отдельное акустическое сопротивление и потери АЭ сигнала тем больше, чем больше L.The known design of the clamping AE waveguide [12], which consists of several smooth rods of equal length screwed into each other, the front end of each rod has an external threaded part, and the rear end has an internal part (except for the latter on which the PAE is mounted). In application, several rods are screwed into each other through an acoustically transparent medium until the total waveguide length L, determined by (1), is reached. The main advantage of this design is that the waveguide is detachable, which means that it can be disassembled, compactly transported and assembled at another control object by changing its length L to new control conditions (temperature). The main disadvantage of this approach is that each end face is a phase boundary, which means that the separate acoustic impedance and AE signal loss are greater, the greater L.

Из [5, 13] известна конструкция прижимного волновода в виде трубки который заполняется жидкой акустически-прозрачной средой, после чего края трубки закрываются герметичными заглушками. Преимуществом данного технического решения является то, что жидкость, представляющая собой основной акустический канал, не обладает модулем сдвиговой упругости, а значит возможно распространение в волноводе только продольных акустических волн. Данное решение направлено на снижение искажений сигнала при прохождении через волновод, однако такой подход имеет в два раза больше границ раздела фаз (а значит большее значение затухания сигнала) по сравнению с классическим прижимным стержневым волноводом. Кроме этого жидкость внутри волновода должна иметь температуру замерзания ниже температуры объекта контроля или температуру кипения выше температуры контроля или находится под большим давлением, что резко усложняет технологию его изготовления, повышает стоимость волновода и ограничивает его универсальность по применению. Также данный конструктивный подход не повышает эффективность теплообмена с окружающей средой, поэтому не позволяет сократить длину волновода, которая также определяется формулой (1).From [5, 13], the construction of a pressure waveguide in the form of a tube is known which is filled with a liquid acoustically transparent medium, after which the edges of the tube are closed with sealed plugs. The advantage of this technical solution is that the liquid, which is the main acoustic channel, does not have a shear modulus, which means that only longitudinal acoustic waves can propagate in the waveguide. This solution is aimed at reducing signal distortions when passing through a waveguide, however, this approach has twice as many phase boundaries (which means a greater signal attenuation) compared to a classical rod-shaped clamp waveguide. In addition, the fluid inside the waveguide must have a freezing temperature below the temperature of the control object or a boiling point above the control temperature or under high pressure, which greatly complicates its manufacturing technology, increases the cost of the waveguide and limits its versatility in use. Also, this constructive approach does not increase the efficiency of heat exchange with the environment, therefore, it does not allow to reduce the waveguide length, which is also determined by formula (1).

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ повышения эффективности теплорассеивания путем выполнения оребрения на стержневом волноводе [14, 15]. Наличие оребрения увеличивает площадь теплообмена, что позволяет более эффективно рассеивать тепло, а значит уменьшить длину стержня. Однако рассеиватели тепла выполненные заодно со стержнем волновода, являются также акустическим каналом и попадание на них акустических волн приводят к повышенному затуханию и искажению последних. Также данное конструктивное исполнение имеет высокую цену, поскольку изготовление рассеивателей заодно со стержнем технологически трудоемко.Closest to the proposed technical solution is a method of increasing the efficiency of heat dissipation by performing fins on a rod waveguide [14, 15]. The presence of fins increases the heat transfer area, which allows more efficient heat dissipation, and therefore reduce the length of the rod. However, heat diffusers made at the same time with the waveguide rod are also an acoustic channel and the ingress of acoustic waves on them leads to increased attenuation and distortion of the latter. Also, this design has a high price, because the manufacture of diffusers along with the rod is technologically time-consuming.

Перечисленные конструкции известных нам акустических волноводов обобщены по сравниваемым физическим свойствам в терминах теплового и акустического сопротивления (рабочих характеристик, определяющих работоспособность волновода) на Фиг. 1. На Фиг. 2 приведен поясняющий рисунок к описанию конструкционных особенностей и вариантов выполнения предлагаемого устройства. На Фиг. 3 представлена схема устройства, изготовленного для экспериментальной оценки его рабочих характеристик. На Фиг. 4 сопоставлены результаты оценки тепловых полей, полученных экспериментально помощью тепловизора и расчетно. На Фиг. 5 показаны экспериментальные и расчетные зависимости температуры разогрева ПАЭ на волноводе от температуры объекта контроля (ОПО) при окружающей температуре воздуха 25°С и различном количестве рассеивателей и длине стержня волновода.The listed constructions of the known acoustic waveguides are generalized according to the compared physical properties in terms of thermal and acoustic resistance (performance characteristics that determine the waveguide operability) in FIG. 1. In FIG. 2 is an explanatory drawing for a description of structural features and embodiments of the proposed device. In FIG. 3 is a diagram of a device manufactured for experimental evaluation of its performance. In FIG. 4, the results of evaluating thermal fields obtained experimentally using a thermal imager and calculated are compared. In FIG. Figure 5 shows the experimental and calculated dependences of the temperature of heating of the PAE on the waveguide on the temperature of the test object (OBO) at an ambient air temperature of 25 ° C and various numbers of scatterers and the length of the waveguide rod.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение эффективности рассеивания тепла акустико-эмиссионным волноводом при сохранении или улучшении его акустических характеристик.The problem to which the invention is directed, is to increase the efficiency of heat dissipation by an acoustic emission waveguide while maintaining or improving its acoustic characteristics.

Технический результат изобретения достигается применением накладных рассеивателей тепла не имеющих или имеющих минимальную акустическую связь со стержнем волновода (основным акустическим каналом передачи сигнала).The technical result of the invention is achieved by using overhead heat dissipators without or having minimal acoustic coupling with the waveguide rod (main acoustic signal transmission channel).

Предлагаемое устройство показано на фиг. 2 и содержит: рассеиватели тепла (поз. 1), дистанционные проставки (поз. 2), распорки (поз. 3) и фиксаторы (поз. 4). Устройство универсально и может применяться независимо (самостоятельно) или совместно с любым вышеописанным известным техническим решением волновода стержневого типа (Фиг. 1), любого сечения (круглого, квадратного и т.д.). Также из описания конструкции видно, что устройство разборное, следовательно: технологично в изготовлении, ремонтопригодно в эксплуатации, обеспечивает компактность при транспортировки и хранении, и легко может быть переориентировано на другую температуру или объект контроля (изменением количества рассеивателей тепла) или установкой на другой волновод. Исходя из этого размер и количество распорок, дистанционных проставок и рассеивателей тепла не фиксировано, а зависит от градиента температур, который необходимо обеспечить и подбирается теоретически или экспериментально в каждом конкретном случае его применения индивидуально, поэтому ограничивается только длиной волновода (поз. 5) и способом его крепления (должен выдержать вес устройства).The proposed device is shown in FIG. 2 and contains: heat dissipators (pos. 1), distance spacers (pos. 2), spacers (pos. 3) and latches (pos. 4). The device is universal and can be used independently (independently) or in conjunction with any of the above-described known technical solutions of the rod-type waveguide (Fig. 1), any cross-section (round, square, etc.). It is also seen from the design description that the device is collapsible, therefore: technologically advanced to manufacture, maintainable in use, provides compactness during transportation and storage, and can easily be reoriented to another temperature or control object (by changing the number of heat dissipators) or installed on another waveguide. Based on this, the size and number of spacers, spacers and heat dissipators is not fixed, but depends on the temperature gradient, which must be ensured and selected theoretically or experimentally in each specific case of its application individually, therefore it is limited only by the waveguide length (item 5) and the method its fastening (must support the weight of the device).

При сборке устройства рассеиватели тепла (поз. 1) собираются попеременно через дистанционные проставки (поз. 2) в теплорассеивающий пакет. Рассеиватели тепла (поз. 1) предназначены для увеличения площади теплообмена. Дистанционные проставки (поз. 2) задают расстояние между рассеивателями тепла (поз. 1) и обеспечивают условие теплообмена между рассеивателями тепла.When assembling the device, heat diffusers (pos. 1) are collected alternately through distance spacers (pos. 2) into a heat-dissipating bag. Heat diffusers (item 1) are designed to increase the heat transfer area. Remote spacers (pos. 2) specify the distance between heat dissipators (pos. 1) and provide the condition for heat exchange between heat dissipators.

Спереди и сзади теплорассеивающего пакета устанавливаются жесткие или упругие распорки (поз. 3), которые могут иметь различную толщину. Распорки (поз. 3) предназначены для выбора зазоров, создания усилия прижатия в теплорассеивающем пакете (основного или предварительного) и компенсации изменения расстояния между фиксаторами (поз. 4) при изменении толщины теплорассеивающего пакета (изменении количества рассеивателей тепла). Фиксаторы (поз. 4) могут быть: цангового или лепесткового вида (Фиг. 2а); резьбового вида (Фиг. 2б); пружинного вида (в); хомутами (Фиг. 2г); стопорящими элементами, например, кольцами (Фиг. 2д) или в виде стяжки (Фиг. 2е), которая может закрепляться на волноводе вышеописанными способами, магнитами или с помощью акустически непрозрачного клея. Фиксаторы (поз. 4) теплорассеивающего пакета могут быть и любых других неописанных типов или сочетанием описанных типов, обеспечивающих удержание теплорассеивающего пакета на волноводе и достаточное усилие сжатия пакета для эффективного теплообмена. Помимо этого, при сборке на боковые поверхности деталей поз. 1, 2 и 3 для больней эффективности теплообмена может наноситься теплопроводящая паста. Однако ее применение не обязательно для достижения положительного эффекта при реализации устройства.Rigid or elastic struts (pos. 3), which can have different thicknesses, are installed at the front and back of the heat dissipating bag. The spacers (pos. 3) are used to select the gaps, create a pressing force in the heat-dissipating bag (main or preliminary) and compensate for changes in the distance between the clamps (pos. 4) when changing the thickness of the heat-dissipating bag (changing the number of heat dissipators). The latches (pos. 4) can be: collet or petal type (Fig. 2a); threaded view (Fig. 2b); spring type (c); clamps (Fig. 2d); locking elements, for example, rings (Fig. 2e) or in the form of a tie (Fig. 2e), which can be fixed to the waveguide by the above methods, magnets or using acoustically opaque glue. The clamps (pos. 4) of the heat-dissipating packet can be of any other types that are not described, or a combination of the types described, which ensure the retention of the heat-dissipating packet on the waveguide and a sufficient compression force of the packet for efficient heat transfer. In addition, when assembling on the side surfaces of parts pos. 1, 2 and 3 for patients with heat exchange efficiency, heat-conducting paste can be applied. However, its use is not necessary to achieve a positive effect in the implementation of the device.

Внутренний диаметр деталей поз. 1, 2 и 3 может изготавливаться прецизионно диаметру волновода (поз. 5) или с зазором. Для большей эффективности теплообмена между волноводом и устройством может наноситься теплопроводящая, но акустически непрозрачная среда. Однако ее применение также не обязательно для достижения положительного эффекта при реализации устройства.The inner diameter of the parts pos. 1, 2 and 3 can be manufactured precisely with the diameter of the waveguide (item 5) or with a gap. For greater heat transfer efficiency, a heat-conducting but acoustically opaque medium can be applied between the waveguide and the device. However, its use is also not necessary to achieve a positive effect in the implementation of the device.

Максимальный эффективность устройства может быть достигнута только при применении материалов деталей поз. 1, 2, 3 и 4 с максимальным коэффициентом теплопроводности (медь, алюминий, сталь и др.). Однако устройство хоть и с меньшей эффективностью работоспособно и при использовании любых теплопроводящих материалов.The maximum efficiency of the device can be achieved only with the use of materials of parts pos. 1, 2, 3 and 4 with a maximum coefficient of thermal conductivity (copper, aluminum, steel, etc.). However, the device, although with less efficiency, is operable when using any heat-conducting materials.

Устройство может быть установлено в начале, конце, середине или по всей длине волновода. Зависит от условия использования и эффективности обмена. Наиболее эффективна установка устройства в конце волновода (перед ПАЭ). Детали поз. 1, 2, 3 и 4 также могут быть выполнены разрезными или иметь проточку для монтажа устройства с боков волновода в случае невозможности монтажа устройства с торца волновода. Кроме этого детали поз. 1, 2, 3 и 4 могут иметь крепежные элементы держателя ПАЭ или быть выполнены заодно с держателем ПАЭ (Фиг. 3).The device can be installed at the beginning, end, middle or along the entire length of the waveguide. Depends on the conditions of use and the effectiveness of the exchange. The most effective installation of the device at the end of the waveguide (in front of the PAE). Details pos. 1, 2, 3 and 4 can also be made split or have a groove for mounting the device from the sides of the waveguide if it is impossible to mount the device from the end of the waveguide. In addition to this detail pos. 1, 2, 3, and 4 may have fasteners for the PAE holder or be integral with the PAE holder (Fig. 3).

Кроме этого, при необходимости обеспечения более интенсивного теплообмена, на устройство может быть установлено принудительное охлаждение, например, путем закрепления на рассеивателях или рядом с ними небольшого вентилятора низкого напряжения и питанием от батареи и др. Однако достижение минимальной шумности, стоимости и простоты эксплуатации устройства может быть достигнуто только при условии использования пассивного теплообмена (без использования принудительного охлаждения), поэтому данный вариант рассматривается, как основной.In addition, if it is necessary to provide more intensive heat transfer, forced cooling can be installed on the device, for example, by attaching to the diffusers or next to them a small low-voltage fan and battery power, etc. However, achieving minimal noise, cost and ease of use of the device can can be achieved only if passive heat exchange is used (without using forced cooling), therefore this option is considered as the main one.

Примером достижения положительного эффекта и промышленной применимости устройства являются результаты экспериментального исследования рабочих характеристик конструкции прижимного стержневого волновода с предлагаемым устройством и без него. При апробации волновод представлял собой стальной болт М16 длиной 100 мм на который монтировалось предлагаемое устройство (Фиг. 3) в следующей последовательности: алюминиевая распорка ∅16/24 мм длиной 15 мм (поз. 3), далее рассеиватели тепла в виде стальных дисков ∅16/80 мм толщиной 2 мм (поз. 1) через алюминиевые дистанционные кольца ∅16/24 мм длиной 5 мм (поз. 2) и завершала пакет алюминиевая распорка ∅16/24 мм длиной 15 мм (поз. 3). При сборке между деталями поз. 1, 2 и 3 наносилась теплопроводящая паста КПТ-8. Пакет деталей поз. 1, 2 и 3 стягивался фиксатором в виде стальной гайки М16 (поз. 4). Волновод (поз. 5) в сборе с теплорассеивающим пакетом вкручивался в резьбовое отверстие стального основания (поз. 6), которое с помощью стальных проволочных растяжек (поз. 7) закреплялось на нагревательном столе ТЕМРСО СВН13864 с некоторым усилием прижатия. Температура нагревательного стола задавалась и поддерживалась блоком управления ТЕМРСО ТРС-1000 по обратной связи с термопарой ТЕМРСО TRW00171 типа K-G, закрепленной на нагревательном столе. Температура поверхности в месте установки ПАЭ (поз. 8) регистрировалась контактно термопарой типа К с помощью мультиметра DT-838 и бесконтактно с помощью тепловизора FLIR SC7700M (Фиг. 4а). Во время исследования температура в комнате поддерживалась +25°С с помощью кондиционера, влажность в помещении не выходила за диапазон 63±3%. Температура и влажность контролировались психрометрическим гигрометром ВИТ-2.An example of achieving a positive effect and industrial applicability of the device are the results of an experimental study of the performance characteristics of the design of a rod rod waveguide with the proposed device and without it. Upon testing, the waveguide was a steel bolt M16 with a length of 100 mm onto which the proposed device was mounted (Fig. 3) in the following sequence: an aluminum spacer ∅16 / 24 mm with a length of 15 mm (item 3), then heat dissipators in the form of steel disks ∅16 / 80 mm with a thickness of 2 mm (pos. 1) through aluminum spacer rings ∅16 / 24 mm with a length of 5 mm (pos. 2) and the package was completed with an aluminum spacer ∅16 / 24 mm with a length of 15 mm (pos. 3). When assembling between parts, pos. 1, 2 and 3, heat-conducting paste KPT-8 was applied. Package details pos. 1, 2 and 3 was pulled together by a clamp in the form of a steel nut M16 (item 4). The waveguide (pos. 5), assembled with a heat-dissipating bag, was screwed into the threaded hole of the steel base (pos. 6), which was fastened with steel wire braces (pos. 7) to the TEMRSO SVN13864 heating table with some pressing force. The temperature of the heating table was set and maintained by the TEMPCO TRS-1000 control unit by feedback from the TEMPCO TRW00171 K-G thermocouple mounted on the heating table. The surface temperature at the installation site of the PAE (item 8) was recorded using a K-type thermocouple using a DT-838 multimeter and non-contact using a FLIR SC7700M thermal imager (Fig. 4a). During the study, the temperature in the room was maintained at + 25 ° C using an air conditioner, and the humidity in the room did not go beyond the range of 63 ± 3%. Temperature and humidity were controlled by a VIT-2 psychrometric hygrometer.

Поскольку собранная экспериментальная установка была ограничена в возможности исследования до температуры +300°С, а волновод по количеству вариантов исполнения: длины волновода, количество рассеивателей и условий охлаждения, оценка теплорассеивающих характеристик АЭ волновода всех остальных вариантов была проведена путем их математического моделирования. Для этого по полученным экспериментальным данным в программном пакете Siemens NX8 была составлена математическая модель (Фиг. 4б), позволяющая проводить расчет различных вариаций применения данного волновода методом конечных элементов с расхождением от экспериментальных данных не более 2% (Фиг. 4 и 5).Since the assembled experimental setup was limited in the possibility of investigation to a temperature of + 300 ° C, and the waveguide in the number of options: waveguide length, number of scatterers and cooling conditions, the heat dissipation characteristics of the AE waveguide of all other options were estimated by mathematical modeling. To do this, according to the experimental data obtained, a mathematical model was compiled in the Siemens NX8 software package (Fig. 4b), which allows calculating various variations in the application of this waveguide by the finite element method with a difference from the experimental data of no more than 2% (Figs. 4 and 5).

На Фиг. 5 приведены границы применимости для АЭ контроля высокотемпературных ОПО волновода исследуемого вида с предлагаемым устройством и без него по худшему варианту охлаждения (конфекционный теплообмен при безветренной погоде/штиле, рассеиватели тепла перпендикулярны вектору свободного падения). Все остальные имитированные варианты теплообмена обеспечивают меньшую теплонагруженность ПАЭ, а значит имеют заведомо лучшие рабочие условия работы ПАЭ. На Фиг. 5 обозначено:

Figure 00000002
- экспериментальные данные (остальные расчетные); «Температура ОПО» - температура первого конца волновода (у нагревателя), имитирующая температуру объекта контроля; «Температура ПАЭ» - температура второго конца волновода в месте установки ПАЭ; N - количество рассеивателей тепла (вариант N=0 соответствует волноводу без предлагаемого устройства); I - зона безопасной работы ПАЭ с ПУ (низкая вероятность выхода ПАЭ из строя); II - предельная зона работы ПАЭ с ПУ (65÷85°С) (высокая вероятность выхода ПАЭ из строя); III - зона гарантированного выхода ПУ ПАЭ из строя. Фиг. 5а - длина стержня волновода 100 мм, Фиг. 5б - 150 мм, Фиг. 5в - 200 мм и Фиг. 5г - 250 мм.In FIG. Figure 5 shows the limits of applicability for AE monitoring of high-temperature OPO waveguides of the type under study with the proposed device and without it according to the worst cooling option (configuration heat transfer in calm weather / calm, heat dissipators are perpendicular to the free fall vector). All other simulated heat exchange options provide a lower heat loading of the PAE, which means they have obviously better working conditions for the operation of the PAE. In FIG. 5 is indicated:
Figure 00000002
- experimental data (other calculated); “OPO temperature" - the temperature of the first end of the waveguide (at the heater), simulating the temperature of the object under control; "PAE temperature" - the temperature of the second end of the waveguide at the installation site of the PAE; N is the number of heat diffusers (option N = 0 corresponds to the waveguide without the proposed device); I - zone of safe operation of PAE with PU (low probability of PAE failure); II - the limiting zone of PAE operation with PU (65 ÷ 85 ° С) (high probability of PAE failure); III - zone of guaranteed PU PUE failure. FIG. 5a - waveguide rod length 100 mm, FIG. 5b - 150 mm, FIG. 5c - 200 mm and FIG. 5g - 250 mm.

Фиг. 5а показывает, что волновод исследованной конструкции без предлагаемого устройства (вариант N=0) при условии обеспечения температуры ПАЭ не выше +65°С при температуре окружающего воздуха +25°С может применяться при АЭ контроле ОПО температурой не выше +78°С. При наличии предлагаемого устройства при тех же самым условиях температура применения волновода составляет: с 4-мя рассеивателями (N=4) до 102°С; с N=5 до 115°С; с N=6 до 125°С; с N=7 до 132°С и с N=8 до 142°С, т.е. температура применения волновода повышается в 1,5÷2,1 раза. Фиг. 5б÷5г показывают, что при изменении длины волновода положительный эффект увеличивается. Результаты расчета также показывают, что сочетанием изменения длины волновода и количества рассеивателей возможно эффективно оптимизировать габариты волновода под различные условия монтажа и контроля.FIG. 5a shows that the waveguide of the studied design without the proposed device (option N = 0), provided that the PAE temperature is not higher than + 65 ° C at an ambient temperature of + 25 ° C, can be used in AE monitoring of air-condition temperature with a temperature of no higher than + 78 ° C. In the presence of the proposed device under the same conditions, the temperature of the waveguide is: with 4 diffusers (N = 4) up to 102 ° C; with N = 5 to 115 ° C; with N = 6 to 125 ° C; with N = 7 to 132 ° С and from N = 8 to 142 ° С, i.e. the temperature of application of the waveguide rises by 1.5 ÷ 2.1 times. FIG. 5b ÷ 5g show that with a change in the waveguide length, the positive effect increases. The calculation results also show that by combining changes in the waveguide length and the number of scatterers it is possible to effectively optimize the dimensions of the waveguide for various installation and control conditions.

По результатам расчетов установлено, что используя номограммы Фиг. 5 с ошибкой не более 5°С можно определить температуру разогрева ПАЭ на волноводе исследованной конструкции при конвективном теплообмене в температурном диапазоне окружающей среды (t) от +25 до +45°С

Figure 00000003
по следующей эмпирической формуле:According to the calculation results, it was found that using the nomograms of FIG. 5 with an error of not more than 5 ° C, it is possible to determine the heating temperature of the PAE on the waveguide of the studied design with convective heat transfer in the ambient temperature range (t) from +25 to + 45 ° C
Figure 00000003
according to the following empirical formula:

Figure 00000004
Figure 00000004

где:

Figure 00000005
Where:
Figure 00000005

Figure 00000006
Figure 00000006

Figure 00000007
- значение температуры разогрева ПАЭ на волноводе взятой по номограмме Фиг. 5 при соответствующей дине волновода (I) и количестве рассеивателей (N), кроме случая N=0. Остальные обозначения, как в формуле (1).
Figure 00000007
- the value of the heating temperature of the PAE on the waveguide taken according to the nomogram of FIG. 5 with the corresponding waveguide length (I) and the number of scatterers (N), except for the case N = 0. The remaining notation is as in formula (1).

Следовательно, проделав аналогичную работу один раз можно установить зависимости подобные (2) для любого вида волновода на котором предполагается применение устройства и в дальнейшем расчетно подбирать элементный состав устройства под конкретные условия его применения.Therefore, having done a similar job once, it is possible to establish dependences similar (2) for any type of waveguide on which the device is supposed to be used and in the future it is calculated to select the elemental composition of the device for specific conditions of its use.

Исследование акустических характеристик экспериментального волновода, описанного выше, проводилось по изменению оценочных параметров (амплитудно-частотная характеристика волновода, затухание и дисперсия волн в волноводе) прошедших через волновод акустических импульсов, задаваемых генератором калиброванных акустических импульсов MSAE-UCA01. Амплитуда калиброванных акустических импульсов составляла 40 пм ±5%, длительность 100 нс ±5%. Акустические сигналы регистрировались и анализировались АЭ системой A-Line 32D. Так как акустический тракт существенных изменений не претерпевает при использований устройства, то были получены ожидаемые результаты, показавшие отсутствие изменений в характеристиках регистрированных через волновод акустических сигналов с устройством и без него.The acoustic characteristics of the experimental waveguide described above were studied by changing the estimated parameters (amplitude-frequency characteristic of the waveguide, attenuation and dispersion of the waves in the waveguide) transmitted through the waveguide of acoustic pulses specified by the calibrated acoustic pulse generator MSAE-UCA01. The amplitude of the calibrated acoustic pulses was 40 pm ± 5%, and the duration was 100 ns ± 5%. Acoustic signals were recorded and analyzed by AE A-Line 32D system. Since the acoustic path does not undergo significant changes when using the device, the expected results were obtained, showing the absence of changes in the characteristics of the acoustic signals recorded through the waveguide with and without the device.

Таким образом, применение разработанного технического решения не приводит к изменению акустических характеристик волновода и повышает эффективность теплообмена, следовательно, позволяет достичь заявленный результат.Thus, the application of the developed technical solution does not lead to a change in the acoustic characteristics of the waveguide and increases the heat transfer efficiency, therefore, it allows to achieve the claimed result.

Источники информацииInformation sources

1. Leaird J.D. Acoustic Emission. Training Guide. How to Ensure an Accurate and Valid Acoustic Emission Test / Greensland Publishing Company, USA, 1997, p. 168.1. Leaird J.D. Acoustic Emission. Training Guide. How to Ensure an Accurate and Valid Acoustic Emission Test / Greensland Publishing Company, USA, 1997, p. 168.

2. Баранов B.M., Гриценко А.И., Карасевич A.M. и др. Акустическая диагностика и контроль на предприятиях топливно-энергетического комплекса / М.: Наука, 1998 - с. 304.2. Baranov B.M., Gritsenko A.I., Karasevich A.M. et al. Acoustic diagnostics and control at enterprises of the fuel and energy complex / M .: Nauka, 1998 - p. 304.

3. Неразрушающий контроль: Справочник: В 7 т. Под общ. ред. В.В. Клюева. Т. 7: в 2 кн. Кн 1: В.И. Иванов, И.Э. Власов. Метод акустической эмиссии / М.: Машиностроение, 2005, с. 829.3. Non-destructive testing: Reference: In 7 t. Under the general. ed. V.V. Klyueva. T. 7: in 2 book. Book 1: V.I. Ivanov, I.E. Vlasov. Acoustic emission method / M.: Mechanical Engineering, 2005, p. 829.

4. Nuspl S.P. Acoustic emission signal collectors / Patent EP №0663587, 16.12.1994.4. Nuspl S.P. Acoustic emission signal collectors / Patent EP No. 0663587, 16.16.1994.

5. Sherwin L.H., Gilmore R.S. Apparatus for focusing and collimating ultrasonic waves / Patent US №3934460, 27.01.1976.5. Sherwin L.H., Gilmore R.S. Apparatus for focusing and collimating ultrasonic waves / Patent US No. 3934460, 01/27/1976.

6. Feng C.C. Apparatus for acoustic emission detection including a waveguide made of aluminum or beryllium oxide / Patent US №4510812, 16.04.1985.6. Feng C.C. Apparatus for acoustic emission detection including a waveguide made of aluminum or beryllium oxide / Patent US No. 4510812, 04.16.1985.

7. Secoy T.C. Acoustic emission waveguide / Patent US №5000045, 19.03.1991.7. Secoy T.C. Acoustic emission waveguide / Patent US No. 5000045, 03/19/1991.

8. Caines M.J. High temperature pressure coupled ultrasonic waveguide / Patent US №4392380, 21.01.1983.8. Caines M.J. High temperature pressure coupled ultrasonic waveguide / Patent US No. 4392380, 01/21/1983.

9. Морозов С.А., Ковтун C.H., Уралец А.Ю. и др. Пьезоэлектрический преобразователь акустической эмиссии / Патент RU №94042353, 20.09.1996.9. Morozov S.A., Kovtun C.H., Uralets A.Yu. and other Piezoelectric transducer of acoustic emission / Patent RU No. 94042353, 09.20.1996.

10. Бобылев Н.В., Мезинцев Е.Д., Карпов В.И. Пьезопреобразователь для приема сигналов акустической эмиссии / А.с. SU №1270680, 22.02.1985.10. Bobylev N.V., Mezintsev E.D., Karpov V.I. Piezoelectric transducer for receiving acoustic emission signals / A.S. SU No. 1270680, 02.22.1985.

11. Воронцов В.Б., Смольников Г.В. Пьезодатчик волноводного типа / А.с. SU №1793368, 29.08.1990.11. Vorontsov VB, Smolnikov GV Piezoelectric transducer of waveguide type / A.S. SU No. 1793368, 08.29.1990.

12. Songmei Ping, Zhang Ying, Mosun Guang, Li Wai, Yan Zhijun / Length-adjustable waveguide rod for acoustic emission testing / Patent CN №202471655, 03.10.2012.12. Songmei Ping, Zhang Ying, Mosun Guang, Li Wai, Yan Zhijun / Length-adjustable waveguide rod for acoustic emission testing / Patent CN No. 202471655, 03.10.2012.

13. Terhune J.H. Ultrasonic waveguide / Patent US №5289436, 22.02.1994.13. Terhune J.H. Ultrasonic waveguide / Patent US No. 5289436, 02.22.1994.

14. Воронцов В.Б. Способ определения содержания газов в жидких металлах / Патент RU №2052810, 10.01.1992.14. Vorontsov V.B. The method of determining the gas content in liquid metals / Patent RU No. 2052810, 01/10/1992.

15. Воронцов В.Б., Горчинский А.В. Устройство для определения содержания газов в жидких металлах / Патент RU №2307348, 27.09.2007.15. Vorontsov V.B., Gorchinsky A.V. A device for determining the content of gases in liquid metals / Patent RU No. 2307348, 09/27/2007.

Claims (1)

Универсальный волновод сигналов акустической эмиссии с накладными теплоотводящими элементами, отличающийся тем, что теплорассеивающее устройство разборное и состоит из нескольких составных элементов, позволяющих: проводить его монтаж/демонтаж во время эксплуатации волновода; переориентировать устройство под новый объект контроля/температурный режим работы или другой волновод; обеспечить компактность транспортировки и хранения, а также технологичность при изготовлении и ремонтопригодность при эксплуатации.A universal waveguide of acoustic emission signals with laid on heat-removing elements, characterized in that the heat-dissipating device is collapsible and consists of several components that allow: its installation / dismantling during operation of the waveguide; reorient the device to a new control object / temperature operating mode or other waveguide; to provide compact transportation and storage, as well as manufacturability in manufacturing and maintainability during operation.
RU2017127608A 2017-08-01 2017-08-01 Universal waveguide of acoustic emission signals RU2665360C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017127608A RU2665360C1 (en) 2017-08-01 2017-08-01 Universal waveguide of acoustic emission signals

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017127608A RU2665360C1 (en) 2017-08-01 2017-08-01 Universal waveguide of acoustic emission signals

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2665360C1 true RU2665360C1 (en) 2018-08-29

Family

ID=63460090

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017127608A RU2665360C1 (en) 2017-08-01 2017-08-01 Universal waveguide of acoustic emission signals

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2665360C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2052810C1 (en) * 1992-01-10 1996-01-20 Вадим Борисович Воронцов Method for determination of gas content in liquid metals
US6296385B1 (en) * 1997-05-12 2001-10-02 Mississippi State University Apparatus and method for high temperature viscosity and temperature measurements
US7021145B2 (en) * 2003-07-21 2006-04-04 Horiba Instruments, Inc Acoustic transducer
RU2307348C1 (en) * 2006-02-10 2007-09-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский государственный университет путей сообщения" (УрГУПС) Device for measuring concentration of gases in liquid metals

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2052810C1 (en) * 1992-01-10 1996-01-20 Вадим Борисович Воронцов Method for determination of gas content in liquid metals
US6296385B1 (en) * 1997-05-12 2001-10-02 Mississippi State University Apparatus and method for high temperature viscosity and temperature measurements
US7021145B2 (en) * 2003-07-21 2006-04-04 Horiba Instruments, Inc Acoustic transducer
RU2307348C1 (en) * 2006-02-10 2007-09-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский государственный университет путей сообщения" (УрГУПС) Device for measuring concentration of gases in liquid metals

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ceperley A pistonless Stirling engine—The traveling wave heat engine
RU2665360C1 (en) Universal waveguide of acoustic emission signals
Lee et al. Monitoring of pipelines in nuclear power plants by measuring laser-based mechanical impedance
CN102331292A (en) Laser impact intensified measuring system and method
Hariharan et al. Studies on performance of thermoacoustic prime mover
Chen et al. Development of thermoacoustic engine operating by waste heat from cooking stove
Tourkov et al. Effect of regenerator positioning on thermoacoustic effect in a looped tube traveling wave thermoacoustic engine
Kisha et al. Asymmetrically heated multi-stage travelling-wave thermoacoustic electricity generator
CN102425879A (en) Preparation method of thermoelectric refrigerator for high orbit space
CN110397937B (en) Measurement design system and design method for waste incineration boiler wall heat insulation structure
Ngcukayitobi et al. Construction, testing and performance analysis of a multi-stage traveling-wave thermo-acoustic generator
Wilt et al. High-power operation of acoustic-electric power feedthroughs through thick metallic barriers
Chen et al. Optimal cross-sectional area ratio between porous material and resonance tube for the onset of self-excited oscillations in standing-wave thermoacoustic engines
Yu et al. Design and testing of a travelling-wave looped-tube engine for low-cost electricity generators in remote and rural areas
Fepeussi et al. Acoustic data communication by wireless sensor network on plate-like structures for autonomous structural health monitoring of aerovehicles
Backhaus et al. Thermoacoustic power systems for space applications
Rastegaev et al. Universal waveguide for the acoustic-emission evaluation of high-temperature industrial objects
JP2019078499A (en) Looped thermoacoustic engine with branch pipe
Zhang et al. Acoustic wave propagation in a sensor port: Experimental measurements and analytical model predictions
Sun et al. A novel non-linear one-dimensional unsteady model for thermoacoustic engine and its application on a looped traveling-wave thermoacoustic engine
Hariharan et al. Experimental and theoretical investigation of thermoacoustic prime mover
Lawn Development of a thermoacoustic travelling-wave engine
Ngcukayitobi et al. Development of a multi-stage configuration for electricity generation using thermo-acoustic approach
Reed et al. Measurements with wire mesh stacks in thermoacoustic prime movers
Drozdenko et al. Methods for analyzing the thermal field of rod type piezoceramic electroacoustic transducer

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20190802