Модуль E20-10 в акустико-эмиссионном мониторинге состояния оборудования

Внедрение: 2013 г.

Применение модуля E20‑10 мы находим в статье [1], где предложен подход диагностирования резервуаров в условиях высоких технологических шумов. В качестве основного инструмента в работе использовался акустико-эмиссионный (АЭ) контроль состояния оборудования. В статье представлены результаты использования помехоустойчивого метода анализа данных акустической эмиссии, основанного на реализации схемы многокаскадного адаптивного накопителя-обнаружителя и обеспечивающего уверенное обнаружение полезного сигнала в сильно зашумленных экспериментальных данных при отношении сигнал/шум много меньше единицы. Проведено исследование возможностей метода для работы в производственных условиях.

Технология беспороговой регистрации данных (БРД) позволяет регистрировать и выделять из случайного потока событий АЭ так называемый «полезный» сигнал, отвечающий зарождению и развитию опасных дефектов, в том числе и коррозионной природы. Блок-схема построения системы БРД представлена на рисунке 1. В ее основе лежит принцип непрерывной записи АЭ сигнала, поступающего с выхода регистрирующей цепочки: преобразователь акустической эмиссии, предварительный усилитель, широкополосный усилитель. На входе записывающего устройства мы получаем непрерывный стохастический временной ряд событий АЭ, представляющий из себя суммарный поток «шум» + «полезный сигнал». Важно, что в этой схеме уровень шумов и различного рода помех принципиального значения не имеет и может быть даже существенно выше полезного сигнала.

Рисунок 1. Схема построения системы беспороговой регистрации данных с применением АЦП E20‑10.

Целью лабораторного эксперимента (рисунок 2) являлась генерация в реальном объекте сигнала АЭ, шумового сигнала, аддитивной суммы «сигнал» + «шум» и синхронная регистрация их временных рядов с последующим анализом в цифровой форме. В качестве образца была выбрана пластина из трубной стали. Имитатор АЭ импульсов A‑Line (ООО «Интерюнис», Москва) возбуждал в образце полезный АЭ сигнал длительностью 20‑30 мс с постоянной частотой следования 5 Гц. В качестве регулируемого источника широкополосного шума использовался круглый шлифующий элемент с переменной частотой вращения. Для регистрации сигнала, шума и их смеси использовались широкополосные пьезоэлектрические преобразователи акустической эмиссии типа GT‑200 (ООО «Глобал Тест», Саров) – ПАЭ № 1 и ПАЭ № 2 на рисунке 2. Принятые сигналы регистрировались на входных каналах 1 и 2 АЦП E20‑10 (ООО «Л Кард», Москва). Частота оцифровки на канал составляла 2 МГц при длительности реализации до 20 сек. Величина отношения сигнала к шуму определялась по средним значениям мощности в полосе пропускания тракта регистрации АЭ. Ниже приведены результаты цифровой обработки экспериментальных временных рядов, полученные посредством предложенного в работе адаптивного алгоритма фильтрации.

Рисунок 2. Схема лабораторного эксперимента (пояснения в тексте). Размеры указаны в миллиметрах 

Из рисунка 3 следует, что применённая авторами адаптивная фильтрация (АФ) сигнала заметно улучшает отношение сигнал/шум.

Рисунок 3. Спектральные и корреляционные свойства временных рядов мгновенной мощности: а – амплитудные спектры; б – автокорреляционные функции. Полезный АЭ сигнал – красный, аддитивный шум – синий, зашумленный сигнал (АЭ сигнал + шум) – коричневый. Отношение сигнал/шум – не более 0,09.

На рисунок 4 приведен типичный результат работы АФ с двумя независимыми входными информационными каналами (рабочим и опорным) в структуре. 

Рисунок 4. Результат фильтрации сильно зашумленного временного ряда АЭ при работе адаптивного алгоритма с двумя раздельными информационными каналами на входе: а – смесь сигнала и шума (красный). На ее фоне показан входной полезный сигнал АЭ (синий); б – АЭ сигнал, обнаруженный на выходе фильтра. Отношение сигнал/шум не более 0,5.

Качественно согласующиеся результаты получены и при фильтрации временных рядов мгновенной мощности – рисунок 5.

Рисунок 5. Результат работы адаптивного алгоритма с зашумленными временными рядами мгновенной мощности АЭ после цифровой селективной фильтрации и центрирования. Обозначения – в подписи к рисунку 3. Отношение сигнал/шум не более 0,09.

В ходе работы получены принципиальные выводы: 

1. Метод акустической эмиссии является важнейшей составляющей системы мониторинга объектов с низким соотношением сигнал/шум. 
2. Основной проблемой использования метода АЭ при диагностике резервуаров является слабая помехоустойчивость и отсутствие четких количественных критериев оценки технического состояния объекта контроля. 
3. Концепция построения системы мониторинга технологического оборудования предполагает использование системы беспороговой регистрации данных АЭ, построение количественных критериев оценки технического состояния объекта контроля с использованием статистических методов. Предложенный подход обладает адаптивным характером работы, позволяющим учитывать характерные особенности сигналов, обусловленные характером источника, а также условиями контроля. 
4. Внедрение сложных систем мониторинга способно удовлетворить основные потребности производственных предприятий: проведение работ при заранее неизвестных условиях, в режимах, затрудняющих или делающих невозможным контроль со стороны технического персонала. 
    

Результаты данной статьи были использованы в диссертации [2], в которой были установлены количественные критерии для идентификации АЭ сигнала от дефекта в высоко зашумленных данных. В экспериментальной части диссертации также использовался модуль E20‑10 от L‑CARD.

Источники:

1. Шайбаков Р.А., Давыдова Д.Г., Кузьмин А.Н., Абдрахманов Н.Х., Марков А.Г. «Помехоустойчивый метод акустико-эмиссионного мониторинга резервуаров» // Нефтегазовое дело: электронный научный журнал. – 2013. – № 4. – С. 448‑464.
2. Давыдова Д. Г. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук «Помехоустойчивый метод обнаружения сигнала от дефекта в системах акустико-эмиссионного контроля технологического оборудования». – Уфа. – 2015. – 24 с. 

Разработчик: Шайбаков Р.А., Давыдова Д.Г., Кузьмин А.Н., Абдрахманов Н.Х., Марков А.Г.