вибрационный способ диагностики начала процесса разрушения в элементах конструкции объекта

Формула изобретения

1. Вибрационный способ диагностики начала процесса разрушения в элементах конструкции объекта, заключающийся в том, что с помощью датчиков вибраций, установленных на диагностируемом объекте, фиксируется изменение вибраций после появления трещин или иных нарушений сплошности материала элемента конструкции объекта, отличающийся тем, что на начальном этапе определяется место возможного разрушения элемента конструкции объекта на основе знаний об особенностях конструкции, на основе опыта разрушений аналогичных конструкций, на основе инженерных расчетов, исследований, после чего на исправном объекте в месте возможного разрушения устанавливаются два или более одинаковых датчика вибраций, сигналы которых, возникающие в результате функционирования объекта или воздействия независимого источника вибраций, установленного на объекте, затем сравниваются между собой в любом порядке с помощью любых средств сравнения, и, если при исправном состоянии контролируемого датчиками элемента конструкции средства сравнения выдадут информацию о равенстве сигналов датчиков, что квалифицируется как отсутствие признаков разрушения, объект включается в эксплуатацию, но, если при исправном состоянии контролируемого датчиками элемента конструкции сигналы от разных датчиков отличаются друг от друга настолько, что средства сравнения сигнализируют о наличии дисбаланса сравниваемых сигналов, выполняется балансировка сигналов датчиков, для чего сигнал каждого датчика с помощью любых средств умножается на свой весовой коэффициент, в результате чего выравниваются между собой сигналы датчиков и средства сравнения выдают информацию о равенстве сигналов датчиков, что квалифицируется как отсутствие признаков разрушения в контролируемой датчиками зоне, затем после выполнения балансировки объект включается в эксплуатацию, и, если в процессе эксплуатации в контролируемой датчиками зоне возникают трещины в материале - предвестники разрушения, они меняют условия распространения вибрационных волн в зоне установки датчиков, что приводит к нарушению баланса сигналов датчиков и средства сравнения выдают информацию о неравенстве сигналов датчиков, что квалифицируется как начало процесса разрушения контролируемого элемента конструкции объекта.

2. Вибрационный способ диагностики по п.1, отличающийся тем, что на основе практического опыта, инженерных расчетов, исследований устанавливается допустимое пороговое значение разности сравниваемых сигналов датчиков, превышение которого в процессе эксплуатации объекта квалифицируется как начало процесса разрушения, о чем выдается предупреждающий сигнал, при этом функции порогового элемента с регулируемым порогом, контролирующего превышение порогового значения разности сравниваемых сигналов датчиков, могут быть реализованы любыми средствами.

3. Вибрационный способ диагностики по п.2, отличающийся тем, что из сигналов датчиков с помощью фильтров выделяются информативные частоты, которые содержат информацию об изменениях вибрационных колебаний, связанных с появлением трещин в зоне установки датчиков, и далее используются только эти составляющие сигналов датчиков для последующих этапов обработки, таких как балансировка, сравнение, сопоставление результатов сравнения с пороговой величиной.

4. Вибрационный способ диагностики по п.1, отличающийся тем, что сигналы вибрационных датчиков с помощью аналого-цифровых преобразователей АЦП преобразуются в цифровую форму представления и вся дальнейшая обработка сигналов осуществляется на микроконтроллере или любом ином устройстве обработки цифровой информации программными средствами, включая выделение информативных частот из общих сигналов, балансировку, сравнение, сопоставление результатов сравнения с пороговой величиной и выдачу сигнала, предупреждающего о появлении трещин, если имело место превышение порога, что квалифицируется как начало процесса разрушения.

5. Вибрационный способ диагностики по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что для создания вибрационных колебаний в контролируемом элементе конструкции используется любой независимый источник вибрационных колебаний, который устанавливается на объекте в любом месте.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и технической диагностики.

В процессе эксплуатации элементы конструкции любого объекта подвергаются старению и физическому износу. Мероприятия, имеющие целью предотвратить разрушение объекта (ограничение срока эксплуатации, соблюдение правил эксплуатации, профилактический ремонт и т.д.), не всегда приводят к положительному результату. Не говоря уже о том, что указанные мероприятия и правила не всегда соблюдаются. Так или иначе, но объекты иногда разрушаются во время эксплуатации. Последствия, порой, бывают катастрофическими.

В целях предупреждения аварийных ситуаций на некоторых объектах создаются системы диагностики, отслеживающие возникновение опасных дефектов в процессе эксплуатации объекта.

Так в RU 2193771 С2, 7 G 01 N 29/04 Ермаков Б.С. и др. "Способ диагностики и контроля качества материала трубопроводов" предлагается выделять участки газопровода длиной 500-2000 м, на концах которых стационарно устанавливать генераторы вибрационных колебаний и измерительную аппаратуру, отслеживающую прохождение волны вибрационных колебаний по трубопроводу. По характеру колебаний в трубопроводе определяется возникновение дефектов в материале трубопровода, способных привести к аварийному разрушению, выбросу газа, взрывам, пожару.

Система большая, сложная, предусматривающая дистанционное управление с летательных аппаратов.

Для построения менее сложных и дорогостоящих систем аварийного контроля предлагается "Вибрационный способ диагностики начала процесса разрушения в элементах конструкции объекта". Суть способа заключается в следующем.

Нередко, место возможного разрушения ("слабое" место) или заранее известно (например, из особенностей конструкции или опыта разрушений аналогичных конструкций), или его, с высокой степенью достоверности, можно определить. На основе инженерных расчетов на прочность конструкции, на основе исследований, нахождения с помощью приборов мест наиболее опасных механических напряжений. Не говоря уже о том, что из обширного общечеловеческого опыта известны наиболее типичные места разрушений элементов конструкций.

В целях предупреждения аварийной ситуации имеет смысл, в процессе эксплуатации объекта, осуществлять постоянный контроль за состоянием "слабого" места (мест) конструкции. В частности, за появлением трещин в материале контролируемого элемента конструкции. Поскольку известно, что разрушению элемента конструкции, в большинстве случаев, предшествует появление трещин в его материале.

Предлагаемый способ предусматривает следующие действия.

На начальном этапе, на основе знаний, опыта, инженерных расчетов, исследований, определяется место (места), которое необходимо контролировать.

В контролируемом месте элемента конструкции на подготовленную поверхность (зачищенную и т.д.) устанавливается несколько одинаковых датчиков вибрации, которые преобразуют в электрические сигналы вибрационные колебания, возникающие в материале элемента конструкции в результате функционирования объекта или воздействия независимого источника вибрационных колебаний, установленного на объекте.

Сигналы датчиков подаются на средство сравнения, которое, в любом порядке (сравнивая поочередно с одним из них или иным путем), сравнивает их между собой.

В исходном состоянии, когда объект исправен, элемент конструкции в месте установки датчиков, как правило, не содержит трещин в материале. Поэтому одинаковые датчики, установленные недалеко друг от друга на материале, не имеющем нарушений сплошности, вероятнее всего, будут выдавать примерно одинаковые сигналы. Средство сравнения зафиксирует это равенство сигналом "сравнение" на своем выходе.

Появление, в процессе эксплуатации объекта, трещин в зоне установки датчиков приведет к искажениям в распространении вибрационных волн в этой зоне. Трещины в материале пролегают случайным образом относительно расположения датчиков, вследствие чего воздействие вибрационных колебаний на датчики, после появления трещин, будет неодинаковым. Что отразится на сигналах датчиков. Средство сравнения зафиксирует рассогласование появлением на своем выходе сигнала "несравнение", предупреждающего о появлении трещин, что квалифицируется как начало процесса разрушения контролируемого элемента конструкции.

Таковы общие принципы предлагаемого способа диагностики начала процесса разрушений в элементах конструкции объекта.

Следует, однако, отметить, что, в общем случае, объекты могут значительно отличаться друг от друга как по размерам, так и по сложности конструкции. Поэтому возможна ситуация, когда сигналы датчиков, установленных в зоне контроля, на исправных объектах будут отличаться друг от друга. Причины могут быть разные. Это и особенности конструкции объекта, и разница в размещении датчиков, и множество других причин, даже таких, как присутствие допустимых, в некоторых случаях, нарушений сплошности материала.

Чтобы исключить влияние причин, способных вызвать дисбаланс сигналов датчиков, но не имеющих отношения к началу процесса разрушения, и зафиксировать соотношение сигналов датчиков при исправном состоянии элемента конструкции, выполняется балансировка сигналов датчиков. Для чего с целью выравнивания сигналов сигнал каждого датчика умножается на свой весовой коэффициент.

Ввести для сигнала каждого датчика свой весовой коэффициент можно как аппаратными средствами, так и программными. Например, сигнал каждого датчика пропустить через усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, а для большей точности регулировки потом еще и через переменный резистор, включенный как делитель. Или с помощью аналого-цифровых преобразователей АЦП преобразовать сигналы датчиков из аналоговой формы в цифровую форму представления, затем уже решать все вопросы: установки весовых коэффициентов, последующего сравнения, а также другие потребности в обработке информации, программными средствами (на микроконтроллере).

Балансировку можно проводить как в начале функционирования системы диагностики, так и периодически, в процессе эксплуатации объекта. Но в каждом случае - при исправном состоянии контролируемого элемента конструкции. Поскольку совокупность весовых коэффициентов фиксирует соотношение сигналов датчиков на момент выполнения балансировки.

Процесс балансировки контролируется с помощью средства сравнения. Текущий сигнал на выходе средства сравнения засвидетельствует как наличие и степень рассогласования, так и достижение баланса между сравниваемыми сигналами появлением сигнала "сравнение" на выходе.

После выполнения балансировки объект включается в эксплуатацию.

Если в процессе эксплуатации в контролируемой датчиками зоне появятся трещины - предвестники разрушения, они изменят условия распространения вибрационных волн в зоне установки датчиков. Как уже отмечалось ранее, трещины пролегают случайно и в разной степени влияют на датчики. Меняется соотношение сигналов датчиков. В результате нарушается баланс между сигналами датчиков и на выходе средства сравнения появляется сигнал "несравнение", предупреждающий о появлении трещин, что квалифицируется как начало процесса разрушения контролируемого элемента конструкции.

Возможны варианты предложенного способа.

а) Когда допускается появление, в процессе эксплуатации объекта, дисбаланса в сравниваемых сигналах. Но до определенного предела. Пороговое значение допустимой разницы определяется на основе опыта, инженерных расчетов, исследований. Превышение допустимого порога квалифицируется как начало процесса разрушения и приводит к выдаче предупреждающего сигнала. Контроль за превышением допустимого порога может осуществляться любым пороговым устройством с регулируемой величиной порога.

б) Если в процессе функционирования объект сам является источником вибрационных колебаний, вибрации, создаваемые объектом, могут содержать колебания очень широкого диапазона. От низких до высоких частот. Появление трещин в зоне установки датчиков проявится в виде существенных изменений колебаний, не на всех частотах. Чтобы избавиться от влияния неинформативных частот, которые создают ненужные помехи, необходимо с помощью фильтров или программными средствами выделить информативные частоты и далее использовать только эти составляющие сигналов датчиков для последующих этапов обработки, таких как балансировка, сравнение, сопоставление результатов сравнения с пороговой величиной. Определить информативные частоты можно экспериментальным путем или, если это возможно, на основе результатов, уже полученных кем-то ранее и опубликованных.

в) Сигналы вибрационных датчиков с помощью аналого-цифровых преобразователей АЦП преобразуются в цифровую форму представления и вся дальнейшая обработка сигналов осуществляется на микроконтроллере программными средствами. Включая выделение информативных частот, балансировку, сравнение сигналов, сопоставление результатов сравнения с пороговой величиной и выдачу на выходе сигнала, предупреждающего о появлении трещин, если имело место превышение пороговой величины.

г) Для создания необходимых вибрационных колебаний в контролируемом элементе конструкции на объекте устанавливается любой независимый источник вибраций.

В заключение следует отметить, что предложенным способом может контролироваться любое необходимое количество "слабых" мест объекта.