Разработка прибора ультразвуковой диагностики напряженного состояния кострукций

Разработка прибора ультразвуковой диагностики напряженного состояния кострукций

Отрасли, категории, применение: Строительство

Краткое описание:

Акустический метод измерения напряжений в твердых телах основан на использовании закономерностей распространения упругих волн в предварительно напряженных телах. Этот метод позволяет раздельно определить главные напряжения не только в моделях, но и непосредственно в конструкциях без дополнительных процедур разгрузки.

Организация

1. НТУУ «КПИ», Украина, г. Киев
2. Институт электросварки им. Е.О. Патона, Украина, г. Киев

Описание решения

Постановка задачи

В реальных условиях эксплуатации металлические конструкции поддаются не только статическим, динамическим и циклическим нагрузкам, но и влиянию разных за степенью агрессивности коррозионных сред, которые приводят к изменению геометрических характеристик конструкций и физико-механических характеристик металла. Кроме того, в элементах и узлах конструкций всегда присутствуют дефекты, полученные при изготовлении, транспортировке, монтаже и эксплуатации, которые способствуют появлению локальных зон концентрации напряжений, наиболее опасные из которых могут привести к разрушению конструкции.

Для диагностики напряженного состояния конструкций применяют различные подходы и методы контроля: метод мауровых полос, сеток и реплик; голографическая и лазерная спекл-интерферометрия; оптически чувствительные покрытия; рентгеновский метод; магнитные методы (измерение шумов Баркгаузена, измерение коэрцитивной силы, метод магнитной анизотропии, метод магнитной памяти металла); методы тензометрии (механические тензометры, оптические тензометры, струнные тензометры, емкостные датчики, электротензометры); метод акустоупругости. Каждый из методов имеет свои преимущества и недостатки.

Для изучения физико-механических характеристик твердых тел широко применяются акустические методы, связанные с распространением упругих колебаний. По параметрам распространения упругой волны можно судить о некоторых физических свойствах и техническом состоянии твердых тел. Преимуществом акустических методов (по сравнению с рентгеновскими и магнитными) является высокая проникающая способность ультразвуковых колебаний.

Акустический метод измерения напряжений в твердых телах основан на использовании закономерностей распространения упругих волн в предварительно напряженных телах. Этот метод позволяет раздельно определить главные напряжения не только в моделях, но и непосредственно в конструкциях без дополнительных процедур разгрузки. Он обладает достаточно высокой разрешающей способностью, обеспечивает оперативность контроля, позволяет проводить измерения не только поверхностных напряжений, но и напряжений, действующих внутри материала [1].

Задачей исследований является разработка прибора с использованием технологий National Instruments, позволяющего реализовать метод акустоупругости.

Решение

Основным параметром ультразвуковой волны, позволяющим определить механическое напряжения является скорость её распространения. Однако скорость – величина, не измеряемая непосредственно. Скорость рассчитывается по известной формуле:

где h – толщина объекта контроля, t – время распространения ультразвуковой волны.

С помощью ультразвукового дефектоскопа непосредственно измеряется лишь время пробега t ультразвука в объекте контроля (ОК). Толщина объекта h должна быть измерена другим способом, например с помощью механического штангенциркуля. Очевидно, что как время t, так и толщина h измеряются со своими погрешностями, что приводит к увеличению суммарной погрешности контроля. В работе [2] предложено использовать совмещенный датчик, позволяющий реализовать методику измерений скорости ультразвука без необходимости измерять толщину ОК (рис. 1). Совмещенный датчик состоит из двух ультразвуковых преобразователей 1 и 2. В качестве излучателя используется преобразователь 1. Отраженные колебания принимаются обеими преобразователями.

Уравнения для определения скорости ультразвука для двух акустических трактов:

где t1 – задержка приема колебаний первым преобразователем,
t2 – задержка приема колебаний вторым преобразователем,
B – расстояние между преобразователями (строго фиксированное),
h - толщина ОК.

Из уравнений (2) и (3) выразим искомую скорость через измеряемые параметры t1, t2 и фиксированный размер В:

Структурная схема разрабатываемого двухканального прибора представлена на рис. 2. Основным управляющим элементом является программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС). Данные на компьютер передаются через преобразователь UART/USB.

Механические напряжения в твёрдых телах обуславливают незначительное изменение скорости ультразвука. Это значит, что изменение времени пробега ультразвуковых колебаний в ОК также будет незначительным. Для достоверного определения механических напряжений точность измерения временных интервалов необходимо обеспечить на уровне 0,01%, что достичь с помощью амплитудных методов измерения невозможно. Поэтому предложено использовать фазовые измерения, которые являются более помехозащищёнными и точными. При этом измеряемым параметром является кумулятивный фазовый сдвиг, включающий целое число фазовых циклов и сам фазовый сдвиг между опорным и принятым сигналами.

На рис. 3 представлена часть лицевой панели виртуально прибора, реализующего фазовые измерения временных интервалов [3].

На передней панели разработанного VI (рис. 3) выведены графические окна для отображения принятых каждым преобразователем сигналов, что позволяет определить, принимается ли необходимый сигнал в заданном временном интервале. С помощью цифрового фильтра подавляются помехи, возникающие в процессе контроля. С учётом повышенных требований к точности измерений в алгоритме работы прибора применяется компенсация задержек, обусловленных фильтрацией сигналов. Алгоритм работы программы предусматривает автоматический выбор необходимых стробов и расчёт сдвига фазы принятого сигнала относительно опорного. На лицевой панели в соответствующих полях можно указать скорость звука в материале при ненагруженном состоянии, после чего программа подсчитает ориентировочную напряженность в контролируемом материале.

Используемое оборудование и программное обеспечение

Среда программирования NI LabVIEW 2011.

Внедрение и его перспективы

Разработанное средство фазовых измерений временных интервалов может быть использовано для прецизионного измерения скорости ультразвука в материалах и объектах, что в совокупности со схемотехническим решением позволит определять напряжённое состояние конструкций и прогнозировать их ресурс. Прибор может быть использован для проведения неразрушающего контроля в таких областях промышленности, как: машиностроение, приборостроение, строительство, нефтегазовая отрасль и т.п.

Список литературы

1. Никитина Н.Е. Преимущества метода акустоупругости для неразрушающего контроля механических напряжений в деталях машин / Н.Е. Никитина, С.В. Казачек // Вестник научно-технического развития. – Москва. – 2010. - № 4(32). – С. 18-28.
2. Маєвський С.М. Вимірювання фазової швидкості ультразвуку як спосіб визначення напружень та утоми конструкційних матеріалів / С.М. Маєвський // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. – Киев. – 2009. – № 3. – С. 51-55
3. Федосов В.П. Цифровая обработка сигналов в LabView: учеб. пособие / В.П. Федосов, А.К. Нестеренко– М.: ДМК Пресс, 2007. – 456 с.

 

 

 

Решения опубликованы на основании докладов из сборников трудов ежегодной конференции "Инженерные , научные и образовательные приложения на базе технологий National Instruments" с 2011 по 2014 гг.



 

© 2017 National Instruments Russia. All rights reserved.
Яндекс.Метрика