RU2664259C1

RU2664259C1 - Acoustic emission smart transducer

Info

Publication number: RU2664259C1
Application number: RU2017140400A
Authority: RU
Inventors: Андрей Владимирович Костюков; Алексей Владимирович Костюков; Александр Викторович Щелканов; Игорь Владимирович Челпанов; Андрей Владимирович Юртаев; Владимир Андреевич Шибанов
Priority date: 2017-11-20
Filing date: 2017-11-20
Publication date: 2018-08-15

Abstract

FIELD: physics.SUBSTANCE: using for monitoring the technical condition of hazardous production facilities and facilities in an explosive area. Essence of invention consists in fact that smart transducer of acoustic emission is made in explosion-proof design and contains a piezoelectric element, frequency filter, low noise amplifier with adjustable gain, output converter, controlled pulse shaper, spark protection barrier and power and control node, while all the components of the smart transducer are housed in one small-sized sealed enclosure, and the controlled pulse shaper is configured to generate high voltage pulses at a predetermined level and damping of the oscillations, in this case, the smart transducer supports two-way communication with control equipment on a two-wire line.EFFECT: providing the possibility of developing a compact converter of acoustic emission, made in explosion-proof design, capable of forming pulses of acoustic emission of high power and connected to the control equipment by a two-wire communication line.1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к неразрушающему контролю технического состояния промышленных объектов, основанному на регистрации акустических волн с помощью контактных приемных преобразователей, а именно - к преобразователям акустической эмиссии, и может быть использовано, в частности, для контроля технического состояния сосудов, котлов, аппаратов и трубопроводов и т.п., в том числе для мониторинга технического состояния опасных производственных объектов и объектов во взрывоопасной зоне.The invention relates to non-destructive testing of the technical condition of industrial facilities, based on the registration of acoustic waves using contact receiving transducers, namely, acoustic emission transducers, and can be used, in particular, to control the technical condition of vessels, boilers, apparatus and pipelines, etc. .p., including for monitoring the technical condition of hazardous production facilities and facilities in the hazardous area.

Известны преобразователи акустической эмиссии, содержащие встроенный усилитель [1], производимые ООО «ГлобалТест». Недостатками данных преобразователей являются отсутствие взрывозащищенного исполнения, невозможность изменения коэффициента усиления и формирования импульсов акустической эмиссии, в том числе для контроля акустического контакта с контролируемым объектом.Known acoustic emission transducers containing a built-in amplifier [1], manufactured by LLC GlobalTest. The disadvantages of these transducers are the lack of explosion-proof performance, the inability to change the gain and the formation of acoustic emission pulses, including for monitoring acoustic contact with a controlled object.

Известны преобразователи акустической эмиссии, содержащие встроенный предварительный усилитель, частотный фильтр и имеющие взрывозащищенное исполнение, а также содержащие встроенный предварительный усилитель, частотный фильтр и формирователь импульсов [2], производимые ЗАО "НПФ "Диатон".Known acoustic emission transducers containing a built-in pre-amplifier, a frequency filter and having an explosion-proof design, as well as containing a built-in pre-amplifier, a frequency filter and a pulse shaper [2], produced by ZAO NPF Diaton.

Данные преобразователи, благодаря формирователю импульсов, позволяют проводить контроль акустического контакта с контролируемым объектом. Недостатком известных преобразователей является реализация только одного из указанных качеств, т.е. отсутствие совокупности взрывозащищенного исполнения и наличия формирователя импульсов. Кроме того, отсутствует возможность изменения коэффициента усиления встроенного усилителя и регулировки амплитуды излучаемых импульсов в преобразователях, где имеется формирователь импульсов. Все это ограничивает область применения указанных преобразователей акустической эмиссии.These transducers, thanks to the pulse shaper, allow you to control the acoustic contact with the controlled object. A disadvantage of the known converters is the implementation of only one of these qualities, i.e. the absence of an explosion-proof design and the presence of a pulse shaper. In addition, there is no possibility of changing the gain of the built-in amplifier and adjusting the amplitude of the emitted pulses in the converters, where there is a pulse shaper. All this limits the scope of these transducers of acoustic emission.

Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является датчик акустической эмиссии (АЭ) и адаптер АЭ, выполненные во взрывозащищенном исполнении. При этом датчик АЭ содержит пьезоэлемент, а адаптер АЭ - частотный фильтр, малошумящий усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, преобразователь выходного сигнала, управляемый формирователь импульсов, барьер искрозащиты и узел питания и управления [3]. Недостатком данного прототипа является то, что он представляет собой два самостоятельных устройства, соединенных между собой кабелем, вследствие чего имеющиеся требования взрывозащиты накладывают ограничение на максимальное напряжение электрического импульса, подаваемого адаптером АЭ на датчик АЭ, для формирования импульса акустической эмиссии. В связи с этим напряжение импульса не превышает 24 В, в то время как для уверенного детектирования импульсов акустической эмиссии другими преобразователями, находящимися на расстоянии нескольких метров от излучающего преобразователя, необходимо подавать на пьезоэлемент электрические импульсы напряжением не менее 50 В. Кроме того, подключение датчика АЭ к адаптеру АЭ осуществляется по трехпроводной линии, а адаптера АЭ к контрольно-измерительной аппаратуре - по четырехпроводной линии. При этом сравнительно высокое энергопотребление адаптера АЭ требует применения мощных взрывозащищенных блоков питания или барьеров искрозащиты. Все это негативно сказывается на стоимости при разработке многоканальных взрывозащищенных систем. Стоит добавить, что класс взрывозащиты указанного прототипа не является максимальным, что ограничивает сферу его применения.The closest analogue adopted for the prototype is an acoustic emission sensor (AE) and an AE adapter, made in an explosion-proof version. In this case, the AE sensor contains a piezoelectric element, and the AE adapter contains a frequency filter, a low-noise amplifier with an adjustable gain, an output signal converter, a controlled pulse shaper, an intrinsic protection barrier, and a power and control unit [3]. The disadvantage of this prototype is that it consists of two independent devices interconnected by a cable, as a result of which the explosion protection requirements impose a limit on the maximum voltage of the electric pulse supplied by the AE adapter to the AE sensor to form an acoustic emission pulse. In this regard, the pulse voltage does not exceed 24 V, while for reliable detection of acoustic emission pulses by other transducers located at a distance of several meters from the radiating transducer, it is necessary to apply electrical pulses of at least 50 V. to the piezoelectric element. In addition, the sensor connection AE to the AE adapter is carried out via a three-wire line, and the AE adapter to the instrumentation is carried out via a four-wire line. Moreover, the relatively high power consumption of the AE adapter requires the use of powerful explosion-proof power supplies or spark protection barriers. All this negatively affects the cost when developing multi-channel explosion-proof systems. It is worth adding that the explosion protection class of this prototype is not maximum, which limits the scope of its application.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка компактного преобразователя акустической эмиссии, выполненного во взрывозащищенном исполнении, способного формировать импульсы акустической эмиссии большой мощности и подключаемого к контрольно-измерительной аппаратуре по двухпроводной линии связи.The objective of the invention is to develop a compact acoustic emission transducer, made in an explosion-proof version, capable of generating high-power acoustic emission pulses and connected to instrumentation via a two-wire communication line.

Поставленная задача в интеллектуальном преобразователе акустической эмиссии, выполненном во взрывозащищенном исполнении и содержащем пьезоэлемент, частотный фильтр, малошумящий усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, преобразователь выходного сигнала, управляемый формирователь импульсов, барьер искрозащиты и узел питания и управления, достигается тем, что все компоненты интеллектуального преобразователя размещены в одном малогабаритном герметичном корпусе, а управляемый формирователь импульсов выполнен с возможностью формирования импульсов высокого напряжения с заданным уровнем и демпфированием колебаний, при этом интеллектуальный преобразователь поддерживает двухстороннюю связь с контрольно-измерительной аппаратурой по двухпроводной линии.The task in an intelligent acoustic emission transducer, made in an explosion-proof version and containing a piezoelectric element, a frequency filter, a low-noise amplifier with an adjustable gain, an output signal converter, a controlled pulse shaper, an intrinsic protection barrier and a power and control unit, are achieved by the fact that all the components of the intelligent transducer placed in one small sealed enclosure, and the controlled pulse shaper is configured to the formation of high voltage pulses with a given level and vibration damping, while the intelligent converter supports two-way communication with instrumentation via a two-wire line.

Анализ отличительных признаков показал, что:Analysis of the hallmarks showed that:

- размещение всех компонентов интеллектуального преобразователя в одном малогабаритном герметичном корпусе позволяет получить электрические импульсы напряжением несколько сотен вольт на выходе управляемого формирователя импульсов акустической эмиссии и обеспечить максимальный класс взрывозащиты;- the placement of all the components of the smart converter in one small sealed enclosure allows you to receive electrical pulses with a voltage of several hundred volts at the output of a controlled pulse shaper of acoustic emission and to ensure the maximum explosion protection class;

- формирование импульсов высокого напряжения, которые благодаря функции демпфирования колебаний преобразуются в единичные импульсы синусоидальной формы, позволяет получить с помощью пьезоэлемента сигналы акустической эмиссии высокой мощности, которые уверенно детектируются другими преобразователями, находящимися на расстоянии несколько десятков метров, причем регулировка уровня напряжения электрических импульсов, а следовательно, и мощности импульсов акустической эмиссии, позволяет проводить диагностику промышленных объектов различных размеров, исключая повторное детектирование одного и того же сигнала на небольших объектах, что повышает качество диагностирования их технического состояния.- the formation of high voltage pulses, which, thanks to the vibration damping function, are converted into single sinusoidal pulses, allows using a piezoelectric element to produce high-power acoustic emission signals that are confidently detected by other converters located at a distance of several tens of meters, and the voltage level of the electrical pulses can be adjusted, and consequently, the power of acoustic emission pulses allows the diagnosis of industrial facilities p of various sizes, excluding re-detection of the same signal on small objects, which improves the quality of diagnosis of their technical condition.

- реализация двухсторонней связи с контрольно-измерительной аппаратурой по двухпроводной линии, где цифровая команда интеллектуальному преобразователю передается путем изменения напряжения питания, а аналоговые данные от него передаются путем изменения тока потребления преобразователя, позволила снизить стоимость кабельных трасс, а также значительно упростить их монтаж, при этом обеспечить надежную работу интеллектуальных преобразователей на удалении свыше 100 м от места расположения контрольно-измерительной аппаратуры.- the implementation of two-way communication with instrumentation via a two-wire line, where the digital command is transmitted to the smart converter by changing the supply voltage, and the analog data from it is transmitted by changing the current consumption of the converter, it allowed to reduce the cost of cable routes, as well as greatly simplify their installation, when This ensures the reliable operation of smart converters at a distance of more than 100 m from the location of the instrumentation.

Таким образом, предложенная совокупность отличительных признаков, обеспечивающая полученный результат, представляется новой на существующем этапе развития науки и техники и превосходит существующий мировой уровень. Изобретение соответствует изобретательскому уровню, поскольку достигаемый результат определяется не только суммой отличительных признаков, но и результатом их тесного взаимодействия между собой.Thus, the proposed set of distinctive features, which provides the result, seems new at the existing stage of development of science and technology and exceeds the existing world level. The invention corresponds to the inventive step, since the achieved result is determined not only by the sum of the distinguishing features, but also by the result of their close interaction with each other.

Сущность заявляемого изобретения поясняется структурной схемой интеллектуального преобразователя акустической эмиссии, представленной на фиг. 1.The essence of the claimed invention is illustrated by the structural diagram of an intelligent acoustic emission transducer shown in FIG. one.

Пьезоэлемент 1 соединен с частотным фильтром 2, выход которого подключен к входу малошумящего усилителя с регулируемым коэффициентом усиления 3, который связан с преобразователем выходного сигнала 4. Выход преобразователя выходного сигнала 4 подключен через барьер искрозащиты 5 к двухпроводной линии связи 6. Выход барьера искрозащиты 5 со стороны преобразователя выходного сигнала 4 подключен к узлу питания и управления 7 и управляемому формирователю импульсов 8. Узел питания и управления 7 подключен к малошумящему усилителю с регулируемым коэффициентом усиления 3 и управляемому формирователю импульсов 8, выход которого подключен к пьезоэлементу 1.The piezoelectric element 1 is connected to a frequency filter 2, the output of which is connected to the input of a low-noise amplifier with an adjustable gain 3, which is connected to the converter of the output signal 4. The output of the converter of the output signal 4 is connected through the spark protection barrier 5 to a two-wire communication line 6. The output of the spark protection barrier 5 the side of the output signal converter 4 is connected to the power and control unit 7 and the controlled pulse shaper 8. The power and control unit 7 is connected to a low-noise amplifier with adjustable 3 and oeffitsientom gain controlled pulse shaper 8, the output of which is connected to one piezoelement.

Интеллектуальный преобразователь акустической эмиссии работает следующим образом.Intelligent acoustic emission transducer operates as follows.

В режиме приема сигнал акустической эмиссии преобразуется пьезоэлементом 1 в электрический сигнал, который через частотный фильтр 2, ослабляющий шумы вне полосы пропускания, поступает на вход малошумящего усилителя с регулируемым коэффициентом усиления 3, где усиливается на заданный коэффициент. Усиленный сигнал поступает на вход преобразователя выходного сигнала 4, который в соответствии с ним модулирует ток потребления интеллектуального преобразователя, тем самым передавая аналоговый сигнал по двухпроводной линии связи 6. Барьер искрозащиты 5 обеспечивает безопасные токи и напряжения в схеме интеллектуального преобразователя и не допускает появления искры.In the receiving mode, the acoustic emission signal is converted by the piezoelectric element 1 into an electric signal, which, through a frequency filter 2, attenuating the noise outside the passband, is fed to the input of a low-noise amplifier with an adjustable gain of 3, where it is amplified by a given coefficient. The amplified signal is fed to the input of the output signal converter 4, which, in accordance with it, modulates the consumption current of the smart converter, thereby transmitting the analog signal through a two-wire communication line 6. The spark protection barrier 5 provides safe currents and voltages in the smart converter circuit and prevents the occurrence of sparks.

В режиме формирования импульсов акустической эмиссии узел питания и управления 7 устанавливает минимальное усиление малошумящего усилителя с регулируемым коэффициентом 3, после чего формирует короткие периодические импульсы, поступающие на вход управляемого формирователя импульсов акустической эмиссии 8. Управляемый формирователь импульсов акустической эмиссии 8 формирует единичные электрические импульсы, максимальное напряжение которых пропорционально длительности входных импульсов и может достигать нескольких сотен вольт. Эти импульсы поступают на вход пьезоэлемента 1, который благодаря обратному пьезоэффекту преобразует их в импульсы акустической эмиссии.In the acoustic emission pulse generation mode, the power and control unit 7 sets the minimum amplification of the low-noise amplifier with an adjustable coefficient of 3, and then generates short periodic pulses arriving at the input of the controlled acoustic emission pulse shaper 8. The controlled acoustic emission pulse shaper 8 generates single electric pulses, the maximum whose voltage is proportional to the duration of the input pulses and can reach several hundred volts. These pulses are fed to the input of the piezoelectric element 1, which, thanks to the inverse piezoelectric effect, converts them into pulses of acoustic emission.

Смена режимов работы осуществляется с помощью цифровых команд, передаваемых интеллектуальному преобразователю путем изменения напряжения питания.The change of operating modes is carried out using digital commands transmitted to the intelligent converter by changing the supply voltage.

Таким образом, предложенный интеллектуальный преобразователь акустической эмиссии существенно повышает достоверность диагностирования технического состояния объектов контроля благодаря широким функциональным возможностям, обеспечивает надежную работу на длинной линии за счет токовой линии связи, а также позволяет сократить затраты на кабельные трассы и их монтаж. Данное изобретение реализовано в ряде стационарных систем акустико-эмиссионной диагностики шаровых резервуаров для хранения сжиженных углеводородных газов, а также регенераторов секции каталитического крекинга на опасных производственных объектах нефтехимического комплекса Российской Федерации. Опыт эксплуатации интеллектуальных преобразователей акустической эмиссии на реальных объектах полностью подтвердил эффективность примененных технических решений.Thus, the proposed intelligent acoustic emission transducer significantly increases the reliability of diagnosing the technical condition of the monitoring objects due to its wide functional capabilities, ensures reliable operation on a long line due to the current communication line, and also reduces the cost of cable routes and their installation. This invention is implemented in a number of stationary systems for acoustic emission diagnostics of ball tanks for the storage of liquefied petroleum gases, as well as regenerators of the catalytic cracking section at hazardous production facilities of the petrochemical complex of the Russian Federation. The operating experience of intelligent acoustic emission transducers at real facilities fully confirmed the effectiveness of the applied technical solutions.

Список литературыBibliography

1. http://globaltest.ru/page/pr_akusticp/.1.http: //globaltest.ru/page/pr_akusticp/.

2. http://www.diatontest.ru/sensors.htm.2.http: //www.diatontest.ru/sensors.htm.

3. http://www.dynamics.ru/products/controllers-moduls-sensors/datchik-ae-5702/ и http://www.dynamics.ru/products/controllers-moduls-sensors/adapter-ae4809/.3. http://www.dynamics.ru/products/controllers-moduls-sensors/datchik-ae-5702/ and http://www.dynamics.ru/products/controllers-moduls-sensors/adapter-ae4809/.

Claims

Explosion-proof intelligent acoustic emission transducer containing a piezoelectric element, a frequency filter, a low-noise amplifier with an adjustable gain, an output signal converter, a controlled pulse shaper, an intrinsic protection barrier and a power and control unit, characterized in that all the components of the intelligent converter are located in one small hermetic housing, and the controlled pulse shaper is configured to generate a pulse high voltage with a given level and vibration damping, while the smart converter supports two-way communication with instrumentation via a two-wire line.