Акустический прибор ранней диагностики развития микротрещин в металлических конструкциях

(51) 01 29/14 (2006.01) 01 17/04 (2006.01) МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ К ПАТЕНТУ порогового уровня энергии акустического одиночного импульса не превышает 10. Прибор состоит из датчика акустической эмиссии ДАЭ, электронного блока усиления и преобразования сигналов АЭ, индикаторами амплитуды и числа импульсов АЭ. Приемник акустических сигналов (ПАС) и предварительный усилитель (ПУ) собраны в одном компактном цилиндрическом металлическом корпусе акустической ячейке, а электронный блок усиления и обработки сигналов АЭ дополнительно снабжен каналом измерения амплитуды одиночных импульсов и анализатором спектра сигналов АЭ. Совокупность этих признаков позволяет проводить исследования зависимости числа импульсов акустической эмиссии от величины деформирующей силы,возникающих в цилиндрических металлических стержнях, плоских пластин малых размеров и трубопроводов в режиме упругой одноосной деформации - продольного растяжения или поперечного изгиба и по полученным данным оценить эффективную длину развивающихся в процессе нагрузки микротрещин в исследуемых образцах, с целью ранней диагностики развития микротрещин и соответственно предотвращения катастрофических изменений в металлических изделиях, таких как механические разрывы и поломки, при их последующей эксплуатации.(72) Арынгазин Аскар КанапьевичРудин Александр ВасильевичКревчик Владимир ДмитриевичСеменов Михаил Борисович(54) АКУСТИЧЕСКИЙ ПРИБОР РАННЕЙ ДИАГНОСТИКИ РАЗВИТИЯ МИКРОТРЕЩИН В МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЯХ(57) Объект полезной модели относится к техническим средствам неразрушающего контроля материалов изделий по сигналам акустической эмиссии (АЭ) и может быть использован для контроля качества и диагностики развивающихся микродефектов в элементах конструкций различных деталей механизмов, машин и трубопроводов в условиях их эксплуатации. Эффективность Акустического прибора ранней диагностики развития микротрещин в металлических конструкциях(Прибора) уже подтверждена действующим образцом на примере Устройство для регистрации сигналов акустической эмиссии возникающих в цилиндрических металлических стержнях в режиме одноосной деформации,позволяющий проводить измерения суммарного числа импульсов АЭ с точностью до 0,1, а величина относительной погрешности измерения Объект полезной модели относится к техническим средствам неразрушающего контроля материалов изделий по сигналам акустической эмиссии (АЭ) и может быть использовано для контроля качества и диагностики развивающихся микродефектов в элементах конструкций различных деталей механизмов, машин и трубопроводов в условиях их эксплуатации. Эффективность акустического прибора ранней диагностики развития микротрещин в металлических конструкциях(Прибора) уже подтверждена действующим образцом на примере Устройство для регистрации сигналов акустической эмиссии,возникающих в цилиндрических металлических стержнях в режиме одноосной деформации,позволяющий проводить измерения суммарного числа импульсов АЭ с точностью до 0,1, а величина относительной погрешности измерения порогового уровня энергии акустического одиночного импульса не превышает 10. Современные конструкционные материалы склонны, как правило, к хрупкому разрушению, т.е. к разрушению путем распространения дефектов типа трещин и дислокаций в изделиях. Если в данном изделии своевременно обнаружить дефект,определить его место расположения, размеры и скорость развития, то можно предотвратить разрушение конструкции. Это особенно важно для таких ответственных промышленных объектов, как атомные реакторы, нефте- и газопроводы, сосуды высокого давления. Большая роль в решении проблемы диагностики конструкционных материалов отводится неразрушающим методам испытаний и контроля изделий, составной частью которых является метод АЭ. В его основу положены зависимости между характеристиками образовавшихся или распространяющихся дефектов и параметрами излучаемых ими волн. Основным достоинством метода АЭ, делающего его особенно ценными, является тот факт, что эта АЭ сопровождает только развивающиеся, т.е. наиболее опасные дефекты. Известны технические решения, содержащие широкополостные акустико-эмиссионные пьезопреобразователи, малошумящие усилители и анализаторы спектра сигналов АЭ ( 2078338 1,опубл. 1997,2057332 С 1, опубл. 1996,2105301 С 1, опубл. 1998, 2149396 С 1, опубл. 2000,2011196 С 1, опубл. 1994). Недостатком указанных решений является низкая достоверность контроля, акустические установки весьма громоздки и предназначены в основном для диагностики только объектов больших размеров и не применимы для регистрации сигналов акустической эмиссии в деталях машин малых размеров. Задача полезной модели - создание портативного действующего акустического прибора,позволяющего проводить исследования зависимости числа импульсов акустической эмиссии от величины деформирующей силы, возникающих в цилиндрических стержнях, плоских пластин малых размеров и трубопроводов в режиме упругой одноосной деформации - продольного растяжения или поперечного изгиба. Задача решается тем, что в предлагаемом приборе приемник акустических сигналов (ПАС) и предварительный усилитель (ПУ) собраны в одном компактном цилиндрическом металлическом корпусе - акустической ячейке, а электронный блок усиления и обработки сигналов АЭ дополнительно снабжен блоком формирования прямоугольных импульсов и каналом измерения амплитуды одиночных импульсов АЭ. Заявляемый Прибор состоит из датчика акустической эмиссии (ДАЭ), электронного блока усиления и преобразования сигналов АЭ,индикаторами амплитуды и числа импульсов АЭ и анализатором спектра сигналов АЭ. Как показано на Фиг.1, ДАЭ, образован приемником акустических сигналов (ПАС) и предварительным усилителем электрических колебаний ПУ. Выход ДАЭ коаксиальным высокочастотным (ВЧ)-кабелем подключен через частотный полосовой фильтр ФНЧ к входу широкополосного усилителя УШ электрических колебаний. Выход усилителя УШ подключен к каналу измерения амплитуды одиночных импульсов и коаксиальным ВЧ-кабелем к электронному осциллографу ОЦ и/или к звуковой карте персонального компьютера ПК, а также к блоку формирователя прямоугольных импульсов ФИ,выход которого подключен к электронному частотомеру Ч, выполняющему функцию счетчика импульсов. Осциллограф ОЦ позволяет визуально наблюдать сигналы акустической эмиссии,появляющиеся в режиме одноосной деформации исследуемого образца и осуществлять настройку и регулировку электронных блоков в процессе измерений. Программное обеспечение (например,2.0) персонального компьютера ПК позволяет осуществить запись сигналов АЭ с последующей их обработкой по частоте спектра и амплитуде. Блок формирования прямоугольных импульсов ФИ преобразует сигналы акустической эмиссии сложной формы в прямоугольные импульсы соответствующей длительности. Выход формирователя импульсов подключен к входу электронного частотомера Ч, который регистрирует общее число импульсов акустической эмиссии,возникающих при деформации исследуемого образца за текущий интервал времени. На Фиг.1, широкополосный усилитель УШ представляет собой усилитель электрических сигналов с полосой пропускания частот 0, 010,5 МГц и коэффициентом усиления по напряжению 105. Полосовой фильтрФНЧ собран по типовой -схеме. Формирователь импульсов ФИ образован детектором, усилителем импульсов с время задающей -цепочкой и триггером Шмидта. В качестве частотомера Ч используется стандартный электронносчетный частотомер, типа Ч 3-32. В качестве осциллографа ОЦ используется стандартный электроннолучевой осциллограф типа С 1-86. В качестве персонального компьютера ПК используется ноутбук 1000. Блок регистрации и измерения амплитуды импульсов АЭ образован пиковым детектором ПД, усилителем постоянного тока УПТ и регистрирующим прибором МВ. Приемник акустических сигналов ПАС и предварительный усилитель ПУ собраны в одном цилиндрическом металлическом корпусе акустической ячейке, как показано на Фиг.2, которая имеет в случае действующего образца диаметр 28 мм и длину 65 мм. В качестве ПАС используется пьезоэлектрический дисковый преобразователь 1, с резонансной частотой 7 МГц, работающий на низких частотах (до 0,5 МГц) в режиме широкополосного преобразователя, который при помощи тонкой токопроводящей пластинки прижимается механически к торцевой поверхности основания ступенчатого цилиндрического звукопровода 2, непосредственно контактирующего через тонкий слой иммерсионной жидкости(машинного масла) с плоской поверхностью исследуемого образца. К звукопроводу 2 привинчивается полый цилиндрический металлический корпус 4, внутри которого помещен предварительный электронный усилитель 5. Вход усилителя 5 подключен к пьезопреобразователю 1 с помощью тонкой токопроводящей прижимной пластинки 6, а выход соединен электрически к ВЧ-разъему 7 типа СР-50, который ввинчивается в торцевое основание цилиндрического корпуса 4. Описанная конструкция ДАЭ обеспечивает надежный акустический контакт пьезопреобразователя с исследуемым образцом и электрическую экранировку преобразователя и предварительного усилителя от внешних электромагнитных полей и механических воздействий,что существенно повышает чувствительность и снижает уровень собственных шумов ДАЭ. Процесс наблюдения и регистрации сигналов акустической эмиссии исследуемых образцов с помощью акустического прибора осуществляется следующим образом. Исследуемый образец вставляется в цилиндрическое отверстие 3 и фиксируется в нем механически вращением прижимного болта 8, который одновременно обеспечивает механический контакт между исследуемым образцом и звукопроводом 2. Для обеспечения надежного акустического контакта в зазор между исследуемым образцом и звукопроводом вводится небольшое количество смазочной жидкости - машинного масла. Свободные резьбовые концы исследуемого образца с помощью специальных подвесов закрепляются к вертикальной траверсе разрывной машины типа УММ-5. Перемещение траверсы машины осуществлялось в ручном режиме с целью исключения акустических шумов обусловленных работой привода электромеханической системы разрывной машины. Скорость перемещения траверсы в среднем составила 0,05 мм/мин. Режим одноосной нагрузки - продольное растяжениеизменялось от 0 до 1,6 кН время механической нагрузки на образец в процессе измерения не превышало 10 мин. Затем осуществляется включение электронного блока Прибора и ПК, которые предварительно прогреваются в течении 5-10 минут, и запускается программное обеспечение ПК. Коэффициент усиления широкополосного электронного линейного усилителя УШ устанавливается до величины, при которой уровень шумов не превышает порогового уровня возбуждения, то есть режима самопроизвольного и непрерывного счета сигналов шумов. Уровень шумов при этом не превышает 10 от уровня акустических сигналов. После установки рабочих режимов электронного блока акустического прибора запускается привод разрывной машины в ручном режиме, с целью уменьшения уровня шумов электродвигателя привода. По мере увеличения механической нагрузки на исследуемый образец, величина которой регистрируется стрелочным прибором измерителем силы, и величины относительной деформации образца на экране осциллографа и монитора ПК появляются сигналы АЭ, суммарное число которых одновременно регистрируется электронным частотомером и заносятся в электронную память ПК. После достижения максимального порогового значения механической нагрузки программа ПК останавливается и механическое напряжение плавно уменьшается обратно до нулевого значения. Затем исследованный образец освобождается из отверстия 3 путем ослабления болта 8 и заменяется на другой образец, и процесс измерения сигналов АЭ повторяется. По полученным экспериментальным данным строятся гистограммы и графики зависимости числа импульсов акустической эмиссии от механического напряжения для каждого образца, примеры которых показаны на Фиг.3 и Фиг.4 соответственно. По полученным зависимостям числа импульсов АЭ,полученных в режиме одноосной деформации можно рассчитать параметры микронеоднородностей структуры исследуемых образцов. Аналитическая зависимость суммарного числаимпульсов АЭ от величины длины микротрещины, образующейся в режиме упругой деформации исследуемого образца выражается уравнением 3,8 1044 4 2 , или 2 , (Уравнение 1) с - некоторая константа для данного механического напряжения и геометрических размеров исследуемого образца. Из полученных экспериментальных данных можно рассчитать отношение длин развивающихся трещинв исследуемых образцах по уравнению 1 ФОРМУЛА ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ Акустический прибор,содержащий широкополосный акустико-эмиссионный пьезопреобразователь, малошумящий усилитель и анализатор спектра сигналов акустической эмиссии,дополнительно снабжен электронным блоком формирования прямоугольных импульсов и каналом измерения амплитуды одиночных импульсов, а приемник акустических сигналов и предварительный усилитель собраны в одном цилиндрическом металлическом корпусе акустической ячейке, в качестве приемника акустических сигналов использован пьезоэлектрический дисковый преобразователь с резонансной частотой 7 МГц, работающий на низких частотах в диапазоне 0,010,5 МГц в режиме широкополосного преобразователя, который при помощи тонкой токопроводящей пластинки прижат к торцевой поверхности основания ступенчатого цилиндрического звукопровода,непосредственно контактирующего через тонкий слой иммерсионной жидкости (машинного масла) с плоской поверхностью исследуемого образца.