2. Акустико-эмиссионная система СДС1008

В настоящей работе для регистрации и измерения параметров акустической эмиссии применяли универсальную диагностическую систему СДС1008. АЭ система СДС1008 это аппаратно-программный комплекс для регистрации, обработки, измерения и анализа параметров АЭ сигналов при проведении научных исследований, а также технической диагностики промышленных объектов акустико-эмиссионным методом неразрушающего контроля (НК).

Важнейшим элементом АЭ системы является персональный компьютер (РС) с программным обеспечением «Маэстро», посредством которого осуществляется управление всеми компонентами системы, а также регистрация, обработка, анализ и графическое отображение всей поступающей информации об испытуемом объекте.

АЭ система СДС1008 построена по принципу параллельной многоканальной цифровой регистрации параметров АЭ сигналов. Каналы регистрации АЭ сигналов включают:

преобразователь (датчик) АЭ сигналов
предварительный усилитель АЭ сигналов
блок цифровой регистрации АЭ сигналов

Времена прихода АЭ сигналов по каждому каналу регистрируется независимо от остальных каналов. Имеется возможность при каждом конкретном испытании назначать необходимое для проведения данного испытания число включенных каналов системы Такая структура позволяет эффективно использовать ресурсы системы и компьютера при проведении испытаний разнообразных промышленных объектов.

Программное обеспечение системы СДС1008 позволяет отображать комплекс параметров АЭ испытаний в реальном времени, а также обеспечивает широкие возможности для последующей обработки полученной информации в режиме постанализа.

Технические характеристики АЭ системы СДС 1008

Максимальное количество АЭ каналов регистрации: 256 (с применением блоков расширения).
Входное сопротивление АЭ каналов: 50 Ом.
Разрядность АЦП: 14 бит
Время преобразования АЦП: 100 нс.
Цифровой процессор обработки сигналов: ADSP2189.
Интерфейс связи с компьютером: USB 2.0.
Энергопитание: от сети переменного тока 220В, 50Гц.
Потребляемая мощность: 15−50 Вт (системный блок СДС1008_01/12).
Габаритные размеры системного блока СДС1008_01/12 (ШхВхГ): 360х140х320 мм.
Вес: 8 кг (системный блок СДС1008_01/12).

Функциональные возможности АЭ системы СДС1008

Диапазон регистрируемых частот АЭ сигналов: 50−2500kHz.
Локация: зональная, линейная, планарная, цилиндрическая.

2.1. Состав АЭ системы СДС1008

АЭ система СДС1008 включает в себя:

Системный блок, включающий: каналы цифровой регистрации АЭ сигналов, контроллер с интерфейсом USB2.0 для связи с персональным компьютером и блок питания
Персональный компьютер (ПК) с программным обеспечением Маэстро
Преобразователи (датчики) АЭ (ПАЭ) с магнитными держателями
Предварительные усилители АЭ;
Соединительные кабели типа A (на катушках)
Соединительные кабели типа B
Соединительный кабель типа C (кабель интерфейса USB 2.0)
Кабель питания E1.

Блок-схема системы представлена на рис. 1

рис. 1. Блок-схема АЭ системы СДС1008/12

2.2. Конструкция АЭ системы СДС1008

АЭ система СДС1008 (рис. 2) состоит из следующих конструктивных элементов:

cистемный блок СДС1008_01
персональный портативный компьютер типа IBM PC
преобразователи (датчики) АЭ (ПАЭ) сигнала GT300
усилители АЭ сигналов 1008_РА40
высокочастотные соединительные кабели на катушках

Выше перечисленные элементы объединяются в единую акустико-эмиссионную систему специальными кабелями, входящими в комплект поставки аппаратно-программного комплекса СДС1008

рис. 2. Акустико-эмиссионная система СДС1008/12

2.2.1. Системный блок СДС1008_01/12

Системный блок СДС1008_01/12, позволяющий устанавливать 12 каналов регистрации АЭ и системный контроллер USB 2.0, выполнен в унифицированном металлическом корпусе специальной конструкции, в котором смонтирована параллельная скоростная шина GESBUS-G96, цифровые блоки регистрации (ЦБР) АЭ, системный контроллер со встроенным интерфейсом USB2.0 для связи системного блока с компьютером и универсальный блок питания. На передней панели системного блока расположены индикатор включения питания, кнопка включения/выключения питания и передние панели плат каналов и системного контроллера. На задней панели системного блока расположен разъём для подключения кабеля питания от сети 220В 50Гц. Соединение каналов АЭ с соответствующими усилителями и датчиками осуществляется через разъёмы SMA, установленные на передних панелях каналов регистрации АЭ. На передней панели платы интерфейса USB 2.0 расположен разъём USB (тип B) для соединения системного блока с компьютером.

2.2.2. Преобразователь АЭ (ПАЭ) сигнала GT300

В работе применялся широкополосный преобразователь акустической эмиссии GT300 с полосой регистрации 50−1000 кГц. Преобразователь (датчик) АЭ сигнала GT300 выполнен на основе пьезокерамического элемента и имеет коррозионностойкий корпус из Ti-сплава, плоскую керамическую рабочую поверхность и кабельный вывод со специальным разъёмом (тип — SMA) для подключения к усилителю АЭ (рис. 3). Преобразователь комплектуется магнитным держателем. Подробные технические характеристики преобразователя приводятся в паспорте ПАЭ.

рис. 3. Преобразователи АЭ сигнала GT300

2.2.3. Усилитель АЭ сигнала 1008_PA40

Усилитель (предварительный) 1008_PA40 — это широкополосный видео-усилитель, имеющий низкий уровень собственных шумов, широкий динамический диапазон, обеспечивающий усиление электрических сигналов с преобразователей АЭ, фильтрацию от электромагнитных помех и передачу сигналов по согласованным ВЧ кабельным линиям в системный блок СДС1008.

Усилитель АЭ сигналов выполнен в металлическом герметичном корпусе (рис. 4). На печатной плате усилителя установлен переключатель для выбора коэффициента усиления (20дБ или 40дБ). Усилитель имеет два высокочастотных разъёма:

для подключения ПАЭ (тип — SMA)
для подключения цифрового блока регистрации АЭ сигналов (тип — BNC)

Различное конструктивное исполнение разъемов исключает неправильное подключение к усилителю датчика и системы. Разъемы имеют защитные заглушками для предотвращения загрязнения и повреждения при транспортировке.

Подробные технические характеристики усилителя приводятся в паспорте.

рис. 4. Усилитель АЭ сигнала 1008_РА40

2.2.4. Высокочастотные соединительные кабели на катушках RG/150/BNC

Предварительные усилители подключаются к системному блоку посредством высокочастотного коаксиального кабеля на катушках (рис. 5). Коаксиальный кабель (РК50−1−24), используемый для подключения предварительных усилителей, обладает высокими радиочастотными характеристиками, высокой прочностью и стойкостью к истиранию и сохраняет свои характеристики в диапазоне температуры от −50°С до +150°С. Подключение осуществляется разъемами BNC.

рис. 5. Высокочастотный соединительный кабель на катушках

2.3. Описание работы системы СДС1008

Система СДС1008 представляет собой аппаратно-программный комплекс для проведения научно-исследовательских работ и решения комплекса задач НК промышленных объектов. При проведении НК методом акустической эмиссии испытуемые объекты подвергаются испытательному механическому нагружению. Под воздействием приложенных нагрузок активные развивающиеся дефекты структуры металла (трещины, дефекты сварных швов, расслоения и др.) становятся источниками акустической эмиссии. Регистрирующая АЭ аппаратура обеспечивает выявление и регистрацию источников АЭ, их локацию (определение местоположения (координат)) на поверхности испытуемого объекта и измерение комплекса параметров АЭ сигналов.

Регистрация и измерение параметров АЭ сигналов начинается с преобразования акустических (ультразвуковых) колебаний металлической поверхности объекта контроля в электрические сигналы посредством пьезоэлектрического преобразователя. Электрические сигналы акустической эмиссии усиливаются и отфильтровываются предварительными усилителями, расположенными вблизи ПАЭ, и по длинным кабельным линиям поступают на соответствующие входы цифровых каналов регистрации АЭ.

В каждом канале регистрации АЭ сигнал, поступивший на его вход, преобразуется в цифровую форму и далее цифровой массив данных обрабатывается высокопроизводительным сигнальным процессором (СП) по специальной программе, записанной в блоке памяти (ПЗУ) канала регистрации.

Работа программы сигнального процессора начинается с выделения «событий» (events) из оцифрованного сигнала АЭ. Процессор непрерывно сравнивает поступающую от датчика величину сигнала с заранее установленной оператором величиной порога дискриминации. Превышение входным сигналом порога дискриминации интерпретируется системой как наступление события.

Сигнальный процессор вычисляет параметры события (максимальную амплитуду сигнала в событии, энергию и др.) и регистрирует время прихода данного события. После обработки и вычисления параметров события формируется блок информации, характеризующий поступившее в канал событие.

Информация об АЭ событиях, регистрируемая во всех включенных каналах, передаётся в управляющий компьютер посредством высокоскоростного интерфейса USB 2.0, встроенного в системный контроллер. Управляющий компьютер, во время проведения испытания объекта, постоянно накапливает информацию о событиях, регистрируемых цифровыми каналами АЭ системы, сохраняет эту информацию в памяти для последующей обработки, вычисляет координаты источников АЭ на поверхности объекта и отображает поступающую информацию на дисплее ПК в реальном времени.

2.3.1. Цифровой блок регистрации СДС1008_02 АЭ системы СДС1008

Цифровой блок регистрации (ЦБР) АЭ сигналов СДС1008_02 (рис. 6) — это специализированный микрокомпьютер со своим процессором (сигнальным процессором (СП) ADSP2189), блоком памяти, интерфейсом, входным согласующим усилителем и высокоскоростным аналого-цифровым преобразователем (АЦП).

рис. 6. Цифровой блок регистрации АЭ сигналов СДС1008_02

Блок-схема цифрового блока регистрации АЭ сигналов СДС1008_02 приведена на рис. 7. При включении прибора, активизируется работа сигнального процессора (СП), являющегося основным элементом ЦБР АЭ. Программа, хранящаяся в ПЗУ, загружается в оперативную память СП, после чего начинается её выполнение. Посредством системного контроллера из управляющего компьютера в СП загружается значение порога дискриминации и СП ожидает команду «старт» (приступить к накоплению данных). При поступлении команды «старт» начинается работа канала в режиме накопления данных.

рис. 7. Блок-схема цифрового канала регистрации АЭ сигналов СДС1008_02

Зарегистрированный датчиком и усиленный усилителем сигнал АЭ подаётся на вход цифрового канала регистрации. После электрических согласований параметров принятого сигнала в аналоговом блоке (согласующий усилитель и фильтр нижних частот) с входными параметрами аналого-цифрового преобразователя (АЦП) производится преобразование сигнала в цифровую форму с частотой дискретизации 10 МГц. Поступившие события уже в цифровой форме передаются в специальный блок обработки события, где происходит непрерывное сравнение абсолютного значения сигнала со значением порога дискриминации, хранящимся в этом же блоке. При превышении текущего значения абсолютной величины сигнала уровня предустановленного порога дискриминации стартует запись сигнала АЭ в цифровой форме поступившего в буферную память блока обработки события. Также в специальном таймере фиксируется время наступления события. Далее сигнальный процессор осуществляет обработку события записанного в буферную память. Завершив вычисление параметров произошедшего события, сигнальный процессор выставляет сигнал готовности данных для системного контроллера и ожидает считывания данных контроллером. По окончании считывания СП возобновляет цикл ожидания и обработки события.

Интерфейсный модуль ЦБР АЭ вырабатывает сигналы синхронизации, переключения шин данных, управления блоком индикации. Посредством интерфейсного модуля устанавливается взаимодействие СП и системного контроллера.

Адресация каждого включенного в систему канала АЭ осуществляется посредством индивидуального номера канала, устанавливаемого на плате ЦБР с помощью специального блока микропереключателей (8 микропереключателей). Блок индикации канала АЭ состоит из десяти светодиодов зеленого, желтого и красного цветов. Режимы работы блока регистрации отображаются соответствующей комбинацией загорающихся красных и желтых светодиодов. Во время обработки поступающих событий загорается несколько зеленых светодиодов, количество которых пропорционально максимальной амплитуде АЭ сигналов. Данная индикация позволяет оперативно получать информацию о работоспособности канала, а также о величине и интенсивности наступления АЭ событий.

2.3.2. Системный контроллер USB 2.0

Системный контроллер USB 2.0 (рис. 8) является связующим звеном, обеспечивающим обмен информацией между управляющим компьютером и цифровыми блоками регистрации АЭ.

рис. 8. Системный контроллер USB 2.0

Блок-схема системного контроллера USB 2.0 приведена на рис. 9.

рис. 9. Блок-схема системного контролера USB 2.0

Весь поток информации в каналы АЭ и из цифровых каналов регистрации в компьютер передается посредством системного контроллера. Помимо управления потоком информации в системе, контроллер также выполняет функции предварительной обработки данных и сортировки АЭ событий по времени их наступления. Контроллер (см. рис. 9) состоит из трех основных модулей — процессорного модуля (СП), модуля интерфейса шины GESBUS и модуля интерфейса USB 2.0. При включении питания программный модуль загружается в СП из своего ПЗУ (аналогично ЦБР АЭ) и запускается выполнение управляющей программы. Управляющая программа отслеживает состояние интерфейса USB 2.0, ожидая команды от управляющего компьютера. При получении соответствующей команды, контроллер переходит в фазу ее исполнения, а затем вновь возвращается в цикл ожидания команды. Аналогичным образом происходит и взаимодействие системного контроллера с каналами АЭ, только в этом случае системный контроллер выступает в роли управляющего компьютера для каналов АЭ, посылая каналам и принимая от них информацию.

2.3.3. Универсальный блок питания системы СДС1008

Универсальный блок питания системы СДС1008/12 представляет собой бестрансформаторный преобразователь AC/DC обладающий следующими техническими характеристиками:

Входное напряжение: 220 В, 50Гц
Выходные напряжения: +5В (основной), +12В

Сервисные функции блока питания обеспечивают автоматическую защиту от короткого замыкания по выходам +5В и +12В, а также защиту от превышения выходного напряжения. Выходная мощность блока питания обеспечивается на уровне 65 Вт при естественной воздушной конвекции.

2.3.4. Предварительный усилитель сигналов АЭ РА_40

Предварительный усилитель сигналов акустической эмиссии представляет собой двухкаскадный усилитель, выполненный на микросхеме AD812 фирмы Analog Devices. Микросхема AD812 представляет собой сдвоенный операционный усилитель с малым уровнем шумов и широкой полосой пропускания. Первая ступень усилителя – это неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления 20 дБ, с диодной защитой от перенапряжений по входу и входным сопротивлением 50 кОм. Далее следует полосовой LC фильтр пятого порядка с полосой пропускания 50 кГц — 1,0 МГц и вторая ступень усилителя. Коэффициент усиления второй ступени с учетом затухания в схеме фильтра составляет 0 дБ или 20 дБ в зависимости от положения переключателя JP2. Таким образом, суммарный коэффициент усиления может составить 20 дБ или 40 дБ. Поскольку нагрузкой усилителя является длинная кабельная линия с волновым сопротивлением 50 Ом, усилитель имеет соответствующую схему согласования выходного сопротивления с волновым сопротивлением кабельной линии. Для обеспечения энергопитания усилителя по сигнальному коаксиальному кабелю на выходе усилителя применена дроссельная развязка цепи питания и высокочастотного полезного сигнала.

2.4. Выводы

ЗАО «Специальные диагностические системы» разработан современный аппаратно программный комплекс акустико-эмиссионной диагностики (АЭД) металлических материалов для оценки структурного состояния на различных стадиях пластической деформации и разрушения металлов. Комплекс регистрируемых диагностической системой параметров АЭ (амплитудные, энергетические и спектральные характеристики) позволяет оценивать критическую степень повреждаемости (зарождение микротрещин) металлических материалов в условиях статического и циклического деформирования
Разработанная аппаратура АЭД в сочетании с методом кинетической твердости позволяет более достоверно оценивать структурное состояние металлических материалов. Показано, что параметры акустической эмиссии (энергия, амплитудный и частотный спектры и др.) на стадии деформационного упрочнения, как при статическом растяжении, так и при вдавливании шарового индентора по методике кинетической твердости, коррелируют со структурным состоянием металла и степенью его повреждаемости. Энергетические параметры (в частности, суммарная энергия акустической эмиссии) при вдавливании шарового индентора могут служить критериями структурного состояния и основой методики оценки остаточного ресурса работоспособности металла. Предлагаемая комплексная методика акустическая эмиссия —кинетическая твердость) определения повреждаемости конструкционных сталей может быть использована для оценки остаточного ресурса работоспособности ответственных металлических конструкций (например, магистральных и технологических трубопроводов, сосудов давления, лопаток турбин энергетических установок и т.п.). Эксперименты с использованием комплексной методики рассмотрены в главах 4 и 5.

Оценка степени деградации мех. свойств трубных сталей