RU2141655C1 - Многофункциональная акустико-эмиссионная система диагностики конструкций и способ диагностирования на ее основе - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к технической диагностике и неразрушающему контролю конструкций и оборудования. В данном случае регистрируют и оцифровывают волновую форму акустических сигналов, вычисляют их спектр, фильтруют помехи, регистрируют время прихода сигналов, вычисляют по нему координаты их источников, анализируют параметры сигналов и оценивают степень опасности источников как потенциальных дефектов конструкции. При этом регистрацию времени прихода сигналов и определение координат источников производят по частоте дискретизации аналого-цифровых преобразователей, которую синхронизируют по всем приемным каналам. Фильтрацию помех, анализ параметров сигналов и оценку степени опасности источников дополнительно производят по вычисленным спектрам с учетом координат источников. Операции выполняют на распределенных по локально-вычислительной сети процессорах многоканальных модулей регистрации и предварительной обработки сигналов и модулей анализа сигналов под управлением операционной системы реального времени. Изобретение обеспечивает повышение информативности и достоверности диагностики. 2 с.п.ф-лы, 1 ил.

Description

Изобретение относится к области технической диагностики и неразрушающего контроля конструкции широкого профиля, включая сварные корпусные конструкции, сосуды давления, емкости, трубопроводы и т.д. с использованием метода акустической эмиссии.

Известна система акустико-эмиссионного контроля (см. патент США N 4609994, МКИ G 01 S 5/18 1986 г.), предназначенная для непрерывного длительного мониторинга крупногабаритных конструкций методом акустической эмиссии, включающая ряд модулей анализаторов-детекторов и центральный удаленный блок управления, соединенный с каждым из модулей анализаторов-детекторов линией связи.

Каждый модуль анализатора-детектора этой системы располагается в определенном месте конструкции, включает акустический приемный преобразователь резонансного типа, схемы усиления и фильтрации сигналов, средства для измерения параметров импульсов акустической эмиссии и микропроцессор, способный принимать и сохранять цифровую информацию, представляющую собой наборы параметров зарегистрированных акустико-эмиссионных импульсов.

Описанная система предлагалась, в первую очередь, для контроля протяженных трубопроводов.

Однако вышеописанная система обладает рядом недостатков:
1. Использование одноканальных модулей сбора (анализаторов-детекторов), реализующих только зональную локацию, не позволяет точно определить местоположение источников эмиссии, как потенциальных дефектов, на поверхности контролируемой конструкции. Для определения координат источников необходимо использование многоканальных модулей сбора, позволяющих реализовать линейную и плоскостную локацию.

2. Использование приемных преобразователей резонансного типа позволяет анализировать только традиционные параметры акустической эмиссии, такие как скорость счета, количество импульсов, амплитуда, длительность и др., и не обеспечивает регистрацию и анализ таких информативных параметров, как волновая форма и спектр акустического импульса. Для получения этих параметров необходимо использование широкополосных приемных преобразователей и блока аналого-цифрового преобразования.

Анализ только традиционных параметров не обеспечивает современных требований в достоверности, точности и надежности оценки состояния диагностируемого объекта, а также оперативности фильтрации регистрируемой акустической информации по критерию "полезный сигнал - помеха" и оперативного анализа сигналов акустико-эмиссионной природы с целью своевременной идентификации опасного дефекта конструкции и предотвращения аварийных ситуаций при испытаниях и эксплуатационном мониторинге промышленного оборудования.

Известна также система акустико-эмиссионного контроля MISTRAS фирмы Physical Acoustics Corporation, США (см. Acoustic Emission Digital Signal Processing Parallel, Processor. Сеть "Интернет", библ. данные: http: //www. pacndt. com/dapprocs. htm), которая включает акустико-эмиссионные приемники-преобразователи, последовательно соединенные с быстродействующими аналого-цифровыми преобразователями (АЦП) многоканального модуля регистрации и предварительной обработки акустических сигналов с процессором, связанного с модулем анализа акустических сигналов с процессором, принятая за прототип.

В этой системе используется технология регистрации и цифровой обработки широкополосных акустических импульсов, которая позволяет дополнить возможности анализа традиционных параметров акустической эмиссии с целью идентификации дефектов контролируемой конструкции и определения координат дефектов анализом волновой формы и спектра импульсов, что существенно повышает надежность и достоверность идентификации.

К недостаткам этой системы можно отнести следующие.

1. Архитектура этой системы не позволяет разносить модуль регистрации и предварительной обработки акустических сигналов и модуль анализа акустических сигналов на расстояние более нескольких метров, поскольку в ней используется единая системная шина АТ-bus.

Этот недостаток системы ограничивает ее применение для контроля крупногабаритных, протяженных, многообъектных конструкций.

2. Регистрация волновой формы с последующим вычислением спектра акустического сигнала в системе MISTRAS не синхронизирована с вычислением координат его источника на контролируемой конструкции, что не позволяет оперативно установить местонахождение идентифицированного по волновой форме и спектру опасного источника, а также использовать совокупность этих параметров для фильтрации сигналов помех, анализа акустических сигналов и оценки степени опасности их источников.

3. В системе MISTRAS реализована параллельность выполнения только предварительной обработки импульсов в сигнальных процессорах (оцифровка волновой формы и измерение традиционных параметров, фильтрация импульсов, определение времени их прихода), а последующая обработка информации (определение координат источников акустической эмиссии, и другие виды анализа) может выполняться последовательно только в одном процессоре модуля анализа.

Известен способ диагностики конструкций, включающий регистрацию широкополосных акустических сигналов и их волновой формы, оцифровку волновой формы сигналов и вычисление по ней спектра сигналов, их предварительную обработку и фильтрацию сигналов помех, регистрацию времени прихода сигналов и вычисление по нему координат их источников, анализ параметров акустических сигналов и оценку степени опасности акустических источников сигналов (см. патент РФ N 2006855, МКИ G 01 N 29/14, 1994 г.), принятый за прототип.

Недостатками известного способа являются следующие:
1. Способ предусматривает либо регистрацию и анализ спектральных характеристик акустических сигналов, либо регистрацию времени прихода акустических сигналов с определением координат их источников и с анализом традиционных параметров акустических сигналов (длительность, энергия, суммарный счет и т.п.), что существенно снижает достоверность идентификации дефектов и оценки состояния диагностируемой конструкции. Для повышения достоверности диагностирования необходимо совмещение спектрального и пространственно-временного анализов регистрируемых акустических сигналов.

2. Основная обработка регистрируемой акустической информации - вычисление спектра акустических сигналов, вычисление координат источников, обработка акустических сигналов, фильтрация сигналов помех, анализ параметров акустических сигналов и оценка степени опасности их источников выполняется последовательно в одном процессоре модуля анализа. Это исключает возможность экспресс-анализа результатов контроля и оценки состояния диагностируемого объекта непосредственно в ходе его испытаний. Для обеспечения возможности экспресс-анализа состояния диагностируемой конструкции необходимо существенно сократить время обработки акустической информации.

Задачей настоящего изобретения является создание многоканальной многофункциональной акустико-эмиссионной системы диагностики крупногабаритных конструкций, использующей технологию регистрации и цифровой обработки широкополосных акустических импульсов в реальном времени, совмещающей возможности анализа традиционных параметров акустической эмиссии и определения координат дефектов с анализом формы и спектра импульсов и обеспечивающей выполнение операций предварительной обработки и критериального анализа акустической информации в режиме экспресс- анализа, т.е. непосредственно в ходе проведения АЭ-контроля.

Это достигается тем, что известная многоканальная многофункциональная акустико-эмиссионная система диагностики конструкций дополнена, по крайней мере, одним многоканальным модулем регистрации и предварительной обработки акустических сигналов с процессором и быстродействующими АЦП и, по крайней мере, одним модулем анализа акустических сигналов с процессором. Каждый модуль анализа акустических сигналов снабжен сетевой картой, а процессор модуля анализа акустических сигналов снабжен операционной системой реального времени. Каждый многоканальный модуль регистрации и предварительной обработки акустических сигналов снабжен сетевой картой и устройством синхронизации работы всех аналого-цифровых преобразователей системы, а процессоры каждого из этих модулей снабжены операционной системой реального времени. При этом все модули регистрации и предварительной обработки акустических сигналов и модули анализа акустических сигналов связаны между собой, совместно образуя многопроцессорную локально-вычислительную сеть параллельной распределенной обработки акустических сигналов под управлением операционной системы реального времени.

Введение дополнительных модулей регистрации и предварительной обработки и модулей анализа акустических сигналов позволяет расширить число каналов приема акустических сигналов. Дополнение этих модулей сетевыми картами обеспечивает возможность объединения процессоров всех модулей в многопроцессорную локально-вычислительную сеть, например, типа ETHERNET.

Снабжение процессоров модулей регистрации и предварительной обработки и процессоров модулей анализа операционной системой реального времени, например, типа QNX дает возможность организовать параллельную обработку акустических сигналов с использованием всех процессоров, входящих в систему и, соответственно, обеспечить диагностирование состояния испытуемого объекта в реальном масштабе времени.

В качестве локально-вычислительной сети могут быть использованы также сети типа ARCNET или TOKEN RING. А в качестве операционных систем реального времени могут быть использованы системы типа Windows NT (Microsoft), OS/2 (IBM), RTEMS (On-Line Applications Research Corporation) и др.

В предлагаемом способе диагностики конструкций технический результат достигается тем, что регистрацию времени прихода акустических сигналов и вычисление координат их источников производят по частоте дискретизации аналого-цифровых преобразователей системы, которую синхронизируют по всем приемным каналам, а фильтрацию акустических сигналов и оценку степени опасности источников этих сигналов дополнительно производят по вычисленному спектру этих сигналов с учетом одновременно вычисляемых координат их источников, причем операции оцифровки волновой формы сигналов, вычисление спектра сигналов, их предварительной обработки, фильтрации сигналов помех, анализа параметров акустических сигналов и оценки степени опасности источников этих сигналов выполняют параллельно на распределенных по локально-вычислительной сети процессорах модулей регистрации и предварительной обработки и модулей анализа акустических сигналов системы.

Сущность изобретения поясняется рисунком, на котором представлена блок-схема многоканальной многофункциональной акустико-эмиссионной системы диагностирования конструкций.

Система состоит из акустических приемников - преобразователей 1, последовательно соединенных с аналого-цифровыми преобразователями акустических сигналов 2 многоканальных модулей регистрации и предварительной обработки акустических сигналов 3, которые связаны с модулями анализа акустических сигналов 4. Модули 3 и 4 имеют процессоры 5, каждый из которых снабжен операционной системой реального времени 6, причем каждый модуль 3 и 4 снабжен сетевой картой 7, а каждый модуль регистрации и предварительной обработки акустических сигналов 3 дополнительно имеет связанное с быстродействующими аналого-цифровыми преобразователями 2 устройство 8 синхронизации их работы.

Все процессоры 5 объединены с помощью сетевых карт в многопроцессорную локально-вычислительную сеть, например, типа ETHERNET 9 распределенной обработки акустических сигналов под управлением операционной системы реального времени, например, QNX 6.

Предложенная система и способ работают следующим образом.

Акустический сигнал от дефекта конструкции, распространяющийся в конструкции, воспринимается одним или несколькими приемными преобразователями 1, усиливается и поступает на вход соответствующего аналого-цифрового преобразователя 2. После окончания оцифровки в АЦП 2 этого импульса процессор 5 модуля регистрации и предварительной обработки 3 считывает оцифрованный сигнал и сопутствующие данные из аналого-цифрового преобразователя 2 и проводит его предварительную обработку. На этой стадии сигнал может быть отбракован по заранее принятому критерию или принят к дальнейшей обработке. В этом случае его цифровая информация дополняется номером канала, временем прихода сигнала, необходимым для последующего вычисления координаты источника сигнала. Затем формируется информационный пакет из нескольких сигналов и передается в модуль анализа акустических сигналов 4. Операционная система реального времени организует работу процессора 5 модуля регистрации 3 таким образом, что он осуществляет регистрацию и предварительную обработку сигналов, регистрируемых всеми каналами модуля 3, с формированием их в информационные пакеты параллельно и с минимальной потерей времени. Для измерения времени прихода сигналов с последующим определением координат акустических источников используется частота дискретизации аналого-цифровых преобразователей, которая синхронизирована по всем приемным каналам системы специальным устройством синхронизации 8.

Процессоры 5 модулей регистрации 3 снабжены сетевой операционной системой реального времени (ОС QNX) 6, которая обеспечивает обмен сигналами и информационными пакетами между главными программами модулей регистрации и предварительной обработки 3 и программами модулей анализа 4.

Сетевые карты 7 (ETHERNET), размещенные в модулях системы, связывают их между собой так, что они совместно образуют локально-вычислительную сеть параллельной распределенной обработки акустических сигналов.

Вышеупомянутые цифровые информационные пакеты, сформированные ОС QNX 6 в модулях регистрации 3, посылаются в модуль анализа 4, процессор 5 которого обрабатывает их совместно с пакетами от всех прочих модулей предварительной обработки 3. При этом вычисляются координаты источников сигналов акустической эмиссии, а из оцифрованной волновой формы с помощью быстрого Фурье-преобразования определяется спектральный состав сигналов и выполняются: дополнительная фильтрация и классификация сигналов, статистическая обработка, корреляционный, критериальный и другие виды анализа с целью идентификации дефектов, оценки степени их опасности и определения состояния контролируемого объекта.

В предлагаемой системе могут быть использованы несколько модулей анализа акустических сигналов, выполняющих последовательно (конвейер обработки) или параллельно различные стадии окончательной обработки акустико-эмиссионной информации. В отличие от системы MISTRAS, в которой окончательная обработка регистрируемой информации выполняется только в одном модуле анализа, в настоящей системе различные ее этапы могут выполняться параллельно несколькими процессорами 5 модулей анализа 4, что значительно сокращает общее время обработки первичной акустической информации.

Цифровая обработка сигналов на стадии регистрации и предварительной обработки проводится так, что импульсы акустических помех, имеющие малые амплитуды при большой длительности, распознаются по их волновой форме и исключаются из дальнейшего анализа (отбраковываются). Это резко сокращает объемы анализируемой информации и, соответственно, время, необходимое для анализа и принятия решения о состоянии объекта контроля. Кроме того, оцифрованные импульсы, не отнесенные к помехам на этой стадии анализа, преобразуются в компактные цифровые информационные пакеты, содержащие набор выделенных параметров импульса, подробную оцифровку наиболее информативной части импульса акустической эмиссии (передний фронт сигнала) и несколько десятков точек огибающей импульса. Следует отметить, что подобное преобразование (с оцифровкой только переднего фронта сигнала) проводится только для импульсов большой длительности и амплитуды, размерность полной оцифровки которых превосходит установленное значение, обусловленное алгоритмами предварительной и окончательной обработки и техническими возможностями аппаратуры.

На стадии окончательной обработки информационных цифровых пакетов акустических сигналов в модуле анализа вычисляются спектр и координаты источников сигнала, и появляется возможность дополнительной фильтрации акустических сигналов и идентификации их источников по совокупности спектральных и локационных характеристик (координаты источников на объекте контроля), увеличивающая достоверность АЭ-диагностики.

Таким образом, предлагаемая система объединяет преимущества вышеописанных систем. В ней используется распределенная модульная архитектура, как в системе контроля трубопроводов, и многоканальные модули цифровой обработки сигналов, как в системе MISTRAS. Вместе с тем предлагаемая система избавлена от недостатков, присущих упомянутым системам. Она обеспечивает:
- возможность анализа волновой формы и спектра акустического импульса одновременно с определением координат его источника;
- возможность оценки с максимальной достоверностью состояния диагностируемого объекта в реальном времени (режим экспресс-анализа);
- возможность диагностирования состояния одновременно нескольких объектов, расположенных на значительных расстояниях друг от друга;
- возможность расширения количества модулей анализа и предварительной обработки.

Количество модулей предлагаемой системы и расстояния между ними лимитируются только конкретной физической реализацией сети. Так, при реализации локальной сети типа ETHERNET возможно развертывание системы до 1000 каналов с отнесением приемных АЭ-преобразователей, установленных на объекте контроля, от модуля анализа на расстояние до 600 м. Это позволяет диагностировать крупногабаритные конструкции, многопрофильные объекты и ответственные сооружения различного назначения.

Claims (2)

1. Многофункциональная акустико-эмиссионная система диагностики конструкций, включающая акустические приемники-преобразователи, последовательно соединенные с быстродействующими аналого-цифровыми преобразователями многоканального модуля регистрации и предварительной обработки акустических сигналов с процессором, связанного с модулем анализа акустических сигналов с процессором, отличающаяся тем, что дополнена, по крайней мере, одним многоканальным модулем регистрации и предварительной обработки акустических сигналов с процессором и, по крайней мере, одним модулем анализа акустических сигналов с процессором, причем каждый многоканальный модуль регистрации и предварительной обработки акустических сигналов имеет связанное с быстродействующими аналого-цифровыми преобразователями устройство синхронизации их работы, процессоры многоканальных модулей регистрации и предварительной обработки акустических сигналов и процессоры модулей анализа акустических сигналов снабжены сетевой операционной системой реального времени, при этом все процессоры посредством соединенных с ними сетевых карт связаны между собой, совместно образуя многопроцессорную локально-вычислительную сеть распределенной параллельной обработки акустических сигналов под управлением операционной системы реального времени.

2. Способ диагностирования конструкций, включающий регистрацию широкополосных акустических сигналов и их волновой формы, оцифровку волновой формы акустических сигналов, вычисление по ней спектра акустических сигналов, их предварительную обработку, фильтрацию помех, регистрацию времени прихода акустических сигналов и вычисление по нему координат их источников, анализ параметров акустических сигналов и оценку степени опасности источников этих сигналов как потенциальных дефектов диагностируемой конструкции, отличающийся тем, что регистрацию времени прихода акустических сигналов и определение по нему координат их источников производят по частоте дискретизации быстродействующих аналого-цифровых преобразователей, которую синхронизируют по всем приемным каналам системы, а фильтрацию помех, анализ параметров акустических сигналов и оценку степени опасности источников этих сигналов дополнительно производят по вычисленным спектрам акустических сигналов с учетом одновременно вычисляемых координат их источников, причем операции вычисления спектра акустических сигналов, вычисления координат их источников, предварительной обработки акустических сигналов, фильтрации помех, анализа параметров акустических сигналов и оценки степени опасности источников акустических сигналов выполняют параллельно на распределенных по локально-вычислительной сети процессорах многоканальных модулей регистрации и предварительной обработки акустических сигналов и модулей анализа акустических сигналов под управлением операционной системы реального времени.