Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ методов и устройств классификации и идентификации неоднородностей в проводящих объектах ... 11
1.1. Система управления работоспособностью энергооборудования АЭС 11
1.2. Анализ источников квазипериодических сигналов в технических системах 14
1.3. Общая классификация методов анализа квазипериодических сигналов 19
1.4. Спектральные методы анализа квазипериодических сигналов 25
1.5. Многомерные представления спектров квазипериодических сигналов 32
1.6. Методы принятия решений на основе анализа квазипериодических
сигналов 39
Цели и задачи исследования 46
Глава 2. Разработка моделей взаимодействия накладного вихретокового преобразователя с проводящим объектом 48
2.1. Модель взаимодействия вихретокового преобразователя с изотропным проводящим объектом 48
2.2. Модель взаимодействия накладного вихретокового преобразователя с неизотропным объектом контроля 57
Выводы второй главы 66
Глава 3. Разработка алгоритмических и аппаратных средств для классификации и идентификации неоднородностей в проводящих объектах на основе инверсионной линейной фильтрации 67
3.1. Технические и алгоритмические решения для классификации и идентификации неоднородностей в немагнитной проводящей ленте ... 67
3.2. Разработка и исследование технических средств и решающих правил для обнаружения дефекта на краю ленты 74
3.3. Теоретические аспекты восстановления топологии неоднородностей в проводящем объекте на основе спектрального анализа данных, полученных от МВТП : 79
Выводы третьей главы 87
Глава 4. Экспериментальные исследования разработанных моделей в технических системах дефектоскопии металлической ленты 88
4.1. Экспериментальные исследования изображений моделей дефектов 88
4.2. Разработка устройства для дефектоскопии металлической ленты 97
4.3. Исследования эффективности обработки реальных сигналов от дефектов в ленте посредством предложенных методов 105
Выводы четвертой главы... 106
Заключение ...108
Библиографический список 110
- Система управления работоспособностью энергооборудования АЭС
- Модель взаимодействия вихретокового преобразователя с изотропным проводящим объектом
- Технические и алгоритмические решения для классификации и идентификации неоднородностей в немагнитной проводящей ленте
- Экспериментальные исследования изображений моделей дефектов
Введение к работе
Актуальность темы. Проблема обеспечения надежности и безопасности энергетического оборудования атомных электростанций (АЭС) является одной из важнейших. В технологическом процессе производства электроэнергии на АЭС загрузка тепловыделяющих элементов обеспечивается системой управления загрузкой, составной частью которой является подъемный механизм, в котором используется металлическая немагнитная лента. В результате ее эксплуатации в ней появляются дефекты в виде поперечных трещин, дислоцируемых в основном на ее краях, что может привести к обрыву ленты и, как следствие, к большим материальным потерям и даже к чрезвычайным ситуациям.
Поэтому для обеспечения безопасности технологического процесса загрузки используют мониторинг технического состояния ленты как при профилактических мероприятиях, так и в процессе эксплуатации, что вызывает необходимость в анализе и хранении больших объемов данных. При этом в качестве первичных преобразователей чаще всего используются матричные вихретоковые преобразователи.
В процессе мониторинга сигналов вихретокового преобразователя от „ протяженных объектов возникает противоречие между физическими возможностями оператора и объемом массивов данных, поступающих на анализ. Это противоречие может быть разрешено либо посредством ретроспективного анализа, что снижает оперативность принятия решения и в ряде случаев может быть недопустимо, либо путем структурирования задачи анализа на основе хорошо разработанных методов обработки сигналов, стандартных аппаратных средств и стандартного инструментария информационных технологий. Так как большинство сигналов, получаемых при мониторинге, являются сильно зашумленными, то возникает необходимость в использовании различных методов фильтрации, что требует априорных сведений о сигнале.
Для успешной классификации и идентификации таких сигналов необходима их адекватная модель. При этом процесс моделирования сигналов в металлической ленте требует решения обратной задачи электродинамики, что связано с большими теоретическими и вычислительными трудностями, которые могут быть преодолены путем объединения опыта, накопленного в ходе аналитических и экспериментальных исследований вихретоковых сигналов, и возможностями современных информационных технологий.
Отсутствие математических, алгоритмических и технических решений, которые бы позволили интегрировать накопленный опыт исследования топологи вихревых токов в проводящих объектах при использовании современных информационных технологий, определяет актуальность темы диссертационного исследования.
Работа выполнена в соответствии с договором на создание научно-технической продукции «Разработка системы автоматизированного контроля СУЗ» между Курским государственным техническим университетом и Курской атомной электростанцией.
Цель работы. Разработка моделей, методов и средств для идентификации технического состояния металлической ленты загрузочного устройства на основе вихретоковых методов неразрушающего контроля с использовани-.. ем матричных вихретоковых преобразователей и спектрального анализа сигналов, обеспечивающих повышение надежности технологического процесса загрузки тепловыделяющих элементов в канал реактора.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: провести анализ методов, алгоритмов и устройств классификации и идентификации сигналов, получаемых от накладных вихретоковых преобразователей в процессе мониторинга протяженных объектов; разработать и исследовать математические модели "для заданной топологии вихревых токов, связывающие характеристики неоднородности электропроводности объекта контроля с измеряемыми параметрами на выходе вихретокового преобразователя; создать метод трансформации пространства изображения дефектов в металлической ленте; предложить способ принятия решений при контроле и диагностике металлической ленты системы управления загрузкой; спроектировать и исследовать комплекс средств сбора, передачи и обработки данных, используемый в системе принятия решений для диагностики технического состояния ленты системы управления загрузкой; - провести экспериментальные исследования разработанных моделей в технических системах принятия решений при идентификации технического состояния ленты системы управления загрузкой.
Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались: теория электромагнитного поля и методы вихретокового неразрушаю-щего контроля, теория математического моделирования, теория распознавания образов и обработки изображений, теория вероятностей и математической статистики, теория ортогональных преобразований в гильбертовом пространстве.
Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, . характеризующиеся научной новизной: трехмерная модель взаимодействия вихретокового преобразователя с металлической немагнитной лентой, отличающаяся представлением объекта контроля в виде суперпозиции концентрических и коаксиальных колец и позволяющая вести расчет вносимых напряжений вихретокового преобразователя посредством решения системы линейных алгебраических уравнений; трехмерная модель взаимодействия вихретокового преобразователя с дефектом в виде поперечной трещины в немагнитной металлической ленте, отличающаяся представлением объекта контроля в виде двух групп эксцентрических и коаксиальных колец, позволяющая на основе решения системы алгебраических уравнений построить итерационные алгоритмы идентификации дефектов для автоматизированной системы контроля состояния металлической ленты системы управления загрузкой; способ идентификации дефектов на краях металлической ленты в пространственной и частотной областях, отличающийся тем, что массив отсчетов, получаемый от матричного вихретокового преобразователя, дооопре-деляется до массива, соответствующего двумерному частотному преобразованию одномерного квазипериодического сигнала, позволяющий использовать линейную фильтрацию в одномерном пространстве при идентификации двумерного сигнала; метод идентификации металлической ленты системы управления загрузкой, основанный на анализе сигналов вихретоковых преобразователей, отличающийся последовательной трансформацией признаковых пространств и фильтрацией сигналов в этих пространствах адаптивными фильтрами, позволяющий построить итерационный процесс восстановления изображений дефектов, основанный на определении невязки между реальным сигналом и его моделью; устройство для идентификации дефектов на краю металлической немагнитной ленты посредством вихретоковых методов контроля, отличаю- * щееся использованием многоэлементного вихретокового преобразователя с перестраиваемой структурой, позволяющее повысить соотношение сигнал/шум для дефектов на краях ленты, дислоцированных в поперечном направлении, в среднем в пять раз.
Практическое значение полученных результатов. В результате проведенных исследований разработан программно-аппаратный комплекс контроля технического состояния металлической ленты системы управления загрузкой тепловыделяющих элементов реактора, основанный на формировании доступных для анализа человеком-оператором двумерных изображений, визуализирующих физическое поле контролируемого объекта, и позволяющий посредством использования интерактивного режима обработки визуаль- ной информации повысить безопасность эксплуатации энергетического оборудования электростанций, а также оперативность контроля технического состояния металлической ленты.
Достоверность полученных результатов обеспечена теоретическими и экспериментальными доказательствами выдвинутых утверждений, программной реализацией разработанных методов и математических моделей и апробацией их на контрольных сигналах, сравнительным анализом результатов, полученных новыми и традиционными методами, лабораторными испытаниями и практическими результатами, а также экспертизой предложенных в работе научно-технических решений Роспатентом. Реализация научно-технических результатов. Разработанные методы, модели и алгоритмы составили основу построения автоматизированной системы контроля технического состояния ленты 08Х19Н10Т. Эксплуатация системы позволяет повысить надежность и безопасность эксплуатации технологического оборудования электростанций, а также оперативность контроля технического состояния металлической ленты.
Результаты работ внедрены в Курчатовском монтажном управлении «Центроэнергомонтаж» и в учебном процессе Курского государственного технического университета в курсах «Измерительные преобразователи и - электроды» и «Методы обработки сигналов и данных».
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на 1-й Международной научно-технической конференции «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации», Курск, 2003; на 1-й Всероссийской научно-практической конференции «Безопасность - многоуровневый аспект: превентивные меры и методы», Пенза, 2003; на Междисциплинарной конференции с международным участием «Новые биокибернетические и телемедицинские технологии 21 века для диагностики и лечения заболеваний человека» («НБИТТ-21»), Петрозаводск, 2003; Всероссийской научно-технической конференции «Прогрессивные технологии, конструкции и системы в приборо- и машиностроении»,
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003; на X Российской научно-технической конференции «Материалы и упрочняющие технологии-2003», Курск, 2003; на Международной научно-практической конференции «Измерение, контроль, информатизация», Барнаул, 2004; на Международной молодежной научной конференции «XXX Гагаринские чтения», «МАТИ» - РГТУ им. К.Э.Циолковского, 2004.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ.
Личный вклад автора, В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично автором предложена модель распределения вихревых токов в металлической ленте в виде конечных элементов, имеющих форму колец [1], лично автором предложена модель вихревых токов в неизотропном материале [2], лично автором предложен алгоритм оптимизации параметров вихретокового преобразователя, предназначенного для дефектоскопии немагнитной металлической ленты [5], лично автором предложена конструкция катушек индуктивности и блока коммутаторов [8].
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка, включающего 103 наименования. Объем диссертации - 119 страниц машинописного текста, 42 .рисунка и 1 таблица.
Во введении обоснована актуальность исследования, определены цели и задачи работы, объект и предмет исследования. Сформулированы научные результаты и положения, выносимые на защиту, определена их научная новизна и практическая значимость, приведены сведения об апробации и внедрении работы.
В первой главе характеризуется состояние проблемы в области автоматизации принятия решений для квазипериодических сигналов в выбранной предметной области, рассматривается технология их получения и анализа, анализируются методы выделения информативных признаков и принятия решений.
В заключение главы сформулированы цели и задачи исследования, решение которых позволит разработать программно-аппаратное обеспечение для классификации и идентификации электрических и механических не-сплошностей проводящих объектов.
Вторая глава посвящена разработке ЗО-математических моделей, позволяющих определить ЭДС накладного вихретокового преобразователя при дефектоскопии немагнитной металлической ленты.
В третьей главе разрабатываются способы, алгоритмы и решающие правила для классификации дефектов тонкой металлической немагнитной ленты 08Х18Н10Т загрузочного устройства РБМК.
В четвертой главе предложены устройства классификации тонкой металлической немагнитной ленты 08Х18Н10Т загрузочного устройства РБМК и проводятся экспериментальные исследования разработанных моделей в технических системах принятия решений для квазиперодических сигналов, получаемых от вихретоковых преобразователей.
В заключении сделаны общие выводы по использованию полученных результатов при идентификации объектов технических систем.
Система управления работоспособностью энергооборудования АЭС
Первичными задачами системы управления работоспособностью энергооборудования являются: - контроль температуры, напряжения, физико-механических свойств, структуры, сплошности и других характеристик металла; - сбор информации о состоянии металла в различные периоды его работы -при изготовлении, монтаже и эксплуатации; - определение наиболее повреждаемых зон в элементах энергооборудования; - экспериментальные натурные и расчетные исследования типового энергооборудования — лидера по определению влияния условий эксплуатации на свойства металла; - статистическая обработка экспериментальных и расчетных данных; - прогнозирование ресурса работы энергооборудования с учетом предпола л гаемых режимов эксплуатации; - оценка экономической целесообразности эксплуатации, ремонта или замены элементов энергооборудования, а также прогнозирование объема и периодичности контроля.
В целом система управления работоспособностью энергооборудования состоит из ряда подсистем и блоков, функционально связанных единой методологией от получения и обработки результатов контроля металла до прогнозирования ресурса работы энергооборудования и оптимизации режимов его эксплуатации. Нарис. 1.1 представлена система управление работоспособностью энергооборудования применительно к АЭС. Она включает в себя подсистему контроля металла, состоящую из блоков неразрушающего
Прогнозирование объема и периодичности последующего контроля Оценка экономической целесообразности эксплуатации, долговечности и надежности Оценка и прогнозирование рабочего ресурса Рис. 1.1. Система управления работоспособностью энергооборудования на примере АЭС контроля (НК) и лабораторных исследований (ЛК) металла, а также отдельные блоки: 1) регистрации режимных параметров; 2) сбора и сортировки информации; 3) машинной обработки информации; 4) математической модели объекта исследования; 5) управления режимом работы энергооборудования; 6) оценки и прогнозирования рабочего ресурса; 7) оценки экономической целесообразности эксплуатации, долговечности и надежности энергооборудования; 8) прогнозирования объема и периодичности контроля.
В данной системе первичными являются подсистема эксплуатационного контроля металла и блок контроля режимных параметров. Подсистема эксплутационного контроля металла представляет собой набор рассредоточенных на энергооборудовании приборов для осуществления неразрушаю-щего контроля, объединенных в блок НК. Блок НК включает в себя практически все методы и средства получения информации о качестве металла — сплошности, физико-механических свойствах и структуре. Блок НК, в зависимости от необходимости, предопределит режим работы датчиков, т.е. не- прерывный или периодический, например во время проведения капитального ремонта. Блок Ж, по сравнению с блоком НК, выполняет более фундаментальные длительные исследования качества металла с имитацией условий эксплуатации. К таким исследованиям прежде всего надо отнести исследования длительной прочности и длительной пластичности, трещиностойкости, малоцикловой усталости. В [16, 35, 57] подробно изложены методики исследований, применяемое оборудование, периодичность и объем исследований.
Проведение моделирования во всей полноте осуществляется с помощью имитационной системы, которая представляет собой комплекс, состоящий из двух частей, обеспечивающих: и 1) проведение машинного эксперимента (программная реализация, ввод-вывод, процесс счета, диалог и т. п.); 2) формирование модели, постановку машинного эксперимента, анализ свойств модели и принятия решения. Задачи по управлению работоспособностью энергетического оборудования АЭС, решаемые в данной работе, выделены на рис. 1.1 контрастным фоном.
В технических системах источниками квазипериодических процессов является модуляция (временная или пространственная) и аддитивный или мультипликативный шум.
Процесс получения квазипериодического сигнала, обусловленный пространственной модуляцией, показан на рис Л .2,а, а на рис. 1.2,6 показан вид квазипериодического процесса, наблюдаемого на экране видеомонитора.
Кроме ротационных методов получения квазипериодического сигнала имеются матричные методы. В этом случае появляется дополнительный источник квазипериодичности, связанный с неидентичностью чувствительных элементов матрицы [86].
Для спектрального анализа технического объекта должна быть получена матрица отсчетов, которая отражает пространственное или пространственно-временное распределение физического поля. В большинстве случаев рассматривают либо акустическое, либо электромагнитное поле. Многоэлементные акустические преобразователи нашли широкое применение в ультразвуковых диагностических приборах, и по их проектированию вышел рад монографий, например [25], которые довольно полно освещают эту проблему. Датчики электромагнитных полей достаточно разнообразны, разнообразны принципы их работы и физические явления, лежащие в их основе.
Модель взаимодействия вихретокового преобразователя с изотропным проводящим объектом
Однако модель, описываемая формулой (2.1), ориентирована на струк-туроскопические, а не дефектоскопические исследования, так как предпола- гает изотропность материала ОК в пределах каждого слоя, что не позволяет получить распределения плотности токов, как по глубине ленты, так и по ее продольной координате. Следовательно, посредством такой модели весьма сложно подобрать оптимальные параметры обнаружения и идентификации дефектов в виде узких поперечных трещин, которые характерны для таких объектов контроля,
В случае отсутствия дефектов в ленте для определения вносимой ЭДС воспользуемся трехмерной 3D моделью коаксиальных токовых колец, причем оси токовых колец совпадают с осью возбуждающей катушки. Модель катушки возбуждения и катушки измерения оставим такую, как в модели, представленной уравнением (2.1). В ЗО-модели применим следующее обозначение взаимоиндуктивности. Так как модель рассчитана на компьютерную реализацию, то будем использовать только нижние индексы. Каждый токовый контур обозначается двумя индексами: первый индекс определяет номер слоя, в котором он находится, а второй - номер концентрического кольца в слое. Это обозначение иллюстрирует рис. 2.1.
Тогда взаимная индуктивность между/-м кольцом, лежащим в слое /, и 1-м кольцом, лежащим в слое qt обозначим как МІІА(щ Для вычисления взаимных индуктивностей концентрических и коаксиальных колец используем разные формулы [26]. Индикатором того, что контуры концентричны, является условие: i=q. Равенство./=/ говорит о том, что кольца имеют одинаковые радиусы.
Дня математического описания модели рис. 2.1 примем следующие допущения. Полагаем, что возбуждающая катушка питается от источника тока/0, а измерительная катушка подключена к усилителю с бесконечно большим выходным сопротивлением, и поэтому можно предположить, что ее ток равен нулю. Тогда модель рис. 2.1 может быть описана системой линейных алгебраических уравнений, составленных на основании второго закона Кирхгофа: Составим алгоритм, реализующий рассмотренную модель. На выходе алгоритма должна быть ЭДС в измерительной обмотке в абсолютных и относительных значениях. В относительных значениях вносимая ЭДС определяется как
Затем определяется график этой зависимости как функция і. Оптимальные параметры модели, то есть NHG, определяем, задавшись точностью, например до 0,1 %. Процесс выбора точности носит итерационный характер и зависит от числа слоев в модели, то есть G.
Одна из схем алгоритмов показана на рис. 2.2. Задача, решаемая алгоритмом, связана с выбором оптимальной частоты возбуждения вихревых токов. При этом полагаем, что оптимальный шаг сетки, то есть параметры G и р N, уже выбран. Величиной у = "" ( а) задаемся исходя из порога ЧуВСТВИ-тельности усилителя и уровня компенсации ЭДС холостого хода, Если у не задано, то посредством алгоритма (рис. 2.2.) может быть получен график зависимости я (а ), которая позволяет подобрать оптимальные характери-Е стики в АЧХ измерительного тракта.
Наличие в ленте трещины вызывает изменение топологии вихревых токов в ней. Модель трещины представляет собой две системы эксцентрических и коаксиальных контуров, которые на рис. 2.3 обозначены цифрами 2 и 3. На рис. 2.3 объект контроля представлен тремя слоями, причем каждый слой контура - эксцентричный, а каждый контур в слое имеет по одному коаксиальному контуру в других слоях.
Рассмотрим топологию контуров при наличии трещины, отражающую априорные данные о распределении вихревых токов в ОК с бесконечно тонкой трещиной, изложенные, например в [63].
ОК в модели представлен множеством слоев, толщина которых определяет точность модели. Трещина разбивает каждый слой на две полуплоскости: правую и левую. Вихревые токи в левой полуплоскости обозначим /,, а вихревые токи в правой полуплоскости обозначим Іг. В каждом слое введем систему эксцентрических колец. Их топология показана на рис. 2.4, на котором кольца изображены в виде прямоугольников. ОВ 1 передвигается относительно трещины 4, изменяя при этом топологию вихревых токов в ОК.
Так как рассматривается динамический процесс, то необходимо установить начальную и конечную точку перемещения ОВ 1. За конечную точку примем точку, в которой трещина 4 совместится с осью ОВ 1. Далее увеличивать координату х рис. 2.4 нет смысла, так как система рис. 2.3 симметрична при условии, если ось ОВ совпадает с трещиной. Апертуру Ха наблюдения динамического процесса можно вычислить согласно выражению
Технические и алгоритмические решения для классификации и идентификации неоднородностей в немагнитной проводящей ленте
В загрузочных устройствах часто вместо тросов используют тонкую металлическую немагнитную ленту, например 08Х18Н10Т, ширина которой составляет 40 мм, а длина может достигать 10 м. В результате эксплуатации в ней появляются дефекты в виде поперечных трещин дислоцирующихся в основном на ее краях. Для контроля указанного материала наиболее эффективно использовать вихретоковые методы с использованием матричных вихре-токовых преобразователей (МВТП) [84, 85].
Согласно техническому заданию система для обнаружения и идентификации дефектов в ленте должна иметь следующие технические характеристики: скорость перемещения ленты 0,1... 3 м/мин; точность определения координат ±0,5 мм; размеры выявляемых трещин -длина не менее 1 мм; -ширина раскрытия не менее ОД мм; зона контроля 10... 15 мм вдоль краев ленты; режим работы системы: -автономный (при автономном транспортировании ленты в лабораторных условиях); -совместно с кран-балкой в центральном зале (при транспортировании ленты кран-балкой); расстояние от места контроля до рабочего места оператора не менее 2 м; потребляемая мощность не более 0,5 кВт.
Сигнал, обусловленный дефектами в ОК, очень мал и соизмерим с помехами, связанными с изменением зазора между МВТП и ОК, а также неидентичностью элементов МВТП. Другим источником помех является край ленты, так как в этом месте происходит скачек проводимости, но контроль ОК здесь обязателен, так как именно в этом месте вероятность появления дефекта максимальна.
В устройстве контроля ленты СУЗ использовались матричные вихрето-ковые преобразователи, синтез опорной области, с помощью которых решался аппаратными и программными средствами [102]. Теоретические аспекты проектирования МВТП, позволяющих увеличить разрешающую способность без снижения размера элемента матрицы с применением матриц, выполненных в виде многослойных структур, изложены в [85, 94, 97].
Так как размеры элемента матрицы МВТП достаточно велики (2...6 мм), то в экспериментальных исследованиях и моделировании использовались матрицы размерностями 16x16 и 16x32 элементов. Матрица отсчетов, представленных в виде полутонового изображения, полученных от МВТП с матрицей чувствительных элементов размерностью 16x32 элемента, установленного на ленте с дефектом, показана на рис. 3.1.
Матрица отсчетов получалась путем последовательного подключения линеек катушек индуктивности матрицы МВТП на вход измерительного тракта при фиксированном состоянии линеек катушек возбуждения матрицы МВТП. После опроса всех линеек измерительных катушек матрицы (синтезе строки изображения рис.3 Л), осуществлялось переключение линеек катушек возбуждения и повторно опрашивались линейки измерительных катушек. В результате синтезировалась числовая матрица соответствующей размерности комплексных отсчетов, характеризующих вносимую ЭДС, отражающую электропроводность материала ОК в зоне, лежащей на пересечении токовой и измерительной линеек катушек индуктивностей.
Основная проблема при контроле ленты связана с тем, что дефекты дислоцируются на ее краях. Края ленты являются источниками помех, что обусловлено большими градиентами электромагнитного поля в их окрестности. Поэтому незначительные изменения зазора, ширины ленты или ее поперечного микросмещения являются генератором мощных помех. По этой причине реальная картина наблюдаемого сигнала часто сильно отличается от картины, представленной на рис, ЗЛ. В литературе описан ряд способов, позволяющих отстроиться от этих помех, однако их уровень в рассматриваемой системе настолько высок, что необходимо разработать более надежные мето-ды от их отстройки.
Анализ визуализированной матрицы отсчетов (рис. ЗЛ), полученных от МВТП, расположенного над лентой с узким поперечным дефектом и математических моделей такого дефекта, разработанных в разделе 2, показал, что для надежной идентификации дефектов с вышеуказанными параметрами необходимо устройство, объединяющее достоинства вихретоковых преобразователей с абсолютными и дифференциальными схемами включения чувствительных элементов. Такое решение позволило бы вначале обнаруживать дефекты посредством датчиков дифференциального типа, а затем анализировать их параметры посредством обработки данных, полученных от датчиков абсолютного типа.
Основные положения методики получения данных от исследуемого объекта изложены в [44]. Контроль материала осуществляется в два этапа: на первом - используется мобильное переносное устройство, позволяющее записать информацию о контролируемой ленте на магнитный носитель (длина ленты 7...Юм).
На втором этапе для решения вопроса о пригодности ленты к дальнейшей эксплуатации используется автоматизированная система контроля, выполненная на базе IBM PC. Система имеет дружественный интерфейс, который представлен в виде меню на экране дисплея, и стандартный формат файлов данных.
Разработаны также модификации устройства, в которых вместо магнитного носителя реализован режим On Line посредством радиоканала. Структурная схема системы с такой модификацией представлена на рис. 3.2. Радиоканал позволил исключить промежуточный магнитный носитель в дефектоскопе и повысить оперативность контроля и безопасность обслуживающего персонала, так как контроль ведется в активной зоне. Первый уровень системы описан в [85], а второй - в [44]. Недостаток первого уровня такой системы связан с тем, что в ней в качестве «обнаружителя дефекта» предполагается использовать оператора, который анализирует картины типа рис. 3.1 в интерактивном режиме. После принятия решения о наличии дефекта под МВТП, выполняется переход к процессу его идентификации.
На рис. 3.3 приведена упрощенная схема идентификации объекта, основанная на моделях, предложенных в разделе 2 и модифицированных для МВТП. Под вектором состояния объекта понимается множество отсчетов, в общем случае тоже комплексных векторов, которые получают при опросе матрицы элементов МВТП. В случае ленты СУЗ модель дефекта может быть представлена в виде системы линейных алгебраических уравнений с комплексными коэффициентами, которая может быть построена на основании некоторых априорных сведений о топологии вихревых токов в объекте контроля при наличии дефекта определенной формы [29]. Решив эту систему уравнений, получим детерминистскую модель дефекта. Следовательно, вектор состояния модели — это множество ЭДС каждого элемента матрицы МВТП при фиксированных параметрах дефекта и определенном положении МВТП относительно него (при фиксированном тестовом сигнале).
Экспериментальные исследования изображений моделей дефектов
Для оценки предложенных методов идентификации технического состояния ленты СУЗ в пакете Mathcad-2000 были реализованы ЗО-модели, предложенные во втором разделе. Дефекты моделировались в виде поперечных трещин различной длины в соответствии с алгоритмами, описанными во втором разделе, но модифицированными для матричного ВТП. По матрицам отсчетов, полученных при моделеировании дефектов, строились соответствующие им ДЧП, к которым применялось обратное ДЧП-преобразование.
Помехи имитировались близкими к физическому уровню и аддитивно добавлялись к расчетному сигналу МВТП. Обработка данных, полученных с использованием этих моделей, согласно алгоритмам, предложенных в третьем разделе, осуществлялись с помощью пакета программ, "разработанных в среде DELPHI 6. Интерфейс системы идентификации, выполненный в этой среде, показан на рис. 4.1.
На экранной форме слева показано изображение дефекта, модифицированного таким образом, чтобы оно сооответствовало изображению ДЧП гипотетического сигнала.
В качестве изображений дефектов, исследуемых при имитационном моделировании, рассматривались изображения, показанные в верхних частях рис. 4.2, рис. 4.4 - рис. 4.6.
В верхней части рис. 4.2 показано изображение дефекта без помех. Нулевая строка в этом изображении синтезировалась согласно (3.3).
В одномерном пространстве обратного ДЧП-преобразования наблюдаем почти периодический сигнал, квазипериодичность которого обусловлена амплитудной модуляцией, модулирующая частота которой определяется дислокацией дефекта (в данном случае имеем один дефект, следовательно, одну модулирующую частоту).
Проанализируем структуру одномерного сигнала, показанного в нижней части рис. 4.2, который соответствует двумерному модифицированному сигналу (модификация заключается в добавлении к реальному сигналу нулевой строки и последующему симметричному отображению в правую и нижнюю полуплоскости двумерного пространства сигналов). В этом сигнале дефект определяется только огибающей сигнала. Модулируемая часть сигнала (колоколообразные квазипериодические импульсы) синтезируется искусственным путем за счет добавления в исходное двумерное изображение нулевой строки.
Как было доказано в разделе 3, нулевая строка синтезируется на основе уравнения (3.3). Однако это уравнение не дает ответ на вопрос о выборе параметров А и а, а только указывает, что величина спектральных коэффициентов нулевой строки убывает по экспоненциальному закону по мере роста модулируемой спектральной составляющей. При этом можем предположить, _. что если длина трещины больше 50 % ширины ленты, то лента с таким дефектом физически существовать не может, следовательно, обратное ДЧП-преобразование получаем только для 1/2 поперечного размера ленты (для каждой половины свое реальное и гипотетическое изображение и свое обратное ДЧП-преобразование).
Для синтеза нулевой строки матрицы (рис. 4.2, вверху) воспользуемся статистическими данными о распределении двумерных сигналов, получаемых от дефектов в ленте. Обратимся к таблицам типа табл.4.1, которые отражают матрицы отсчетов МВТП при наличии в ленте дефекта типа трещина. При этом полагаем, что координаты дефекта определяются относительно координат элементов МВТП, а трещина расположена симметрично МВТП по продольной координате (это всегда может быть реализовано посредством соответствующей установки МВТП относительно координат дефекта).
Задавшись правилом синтеза нулевой строки матрицы ДЧП, можем перейти к исследованию влияния параметров дефекта и помех на вид обратного ДЧП, что позволит разработать методы фильтрации в области обратного ДЧП, позволяющие улучшить изображение дефекта (изображение прямого ДЧП).
Одной из важных характеристик дефекта является ширина раскрытия трещины. Несмотря на то, что надежное определение этого параметра требует высокого разрешения преобразователя, что весьма сложно реализуемо для МВТП, при контроле ленты это осуществимо, так как дефекты в ленте расположены в поперечном направлении и, таким образом, разрешение может быть увеличено за счет снижения шага продвижения МВТП по
Изображение дефекта с помехами в зоне «быстрых волн» (вверху) и его обратное ДЧП-преобразование (внизу) Анализ его обратного ДЧП-преобразования (в нижней части рисунка) показывает, что при этом в обратном ДЧП-преобразовании появляются высокочастотные осцилляции, дислокация которых определяется дислокацией помех в исходном изображении. При этом обратное ДЧП-преобразование приобретает нестационарный характер и здесь можно использовать методы вейвлет-анализа. Однако для подавления этих помех также эффективно использование обычных цифровых нерекурсивных фильтров нижних частот, порядок которых определяется апертурой высокочастоттных осцилляции (см. рис.4.5 внизу).
ДЧП Такие помехи отличаются от дефекта тем, что связанная с ними «медленная волна» занимает более широкую полосу частот по сравнению с «медленными волнами», связанными с реальным дефектом. Сравнение обратных ДЧП рис. 4.5 и рис. 4.6 показывает, что такие дефекты можно успешно разделять в пространстве обратного ДЧП путем использования обычных линейных фильтров, а идентификация может быть осуществлена посредством итерационного процесса перехода из одного пространства в другое.
В матрице отсчетов МВТП, которая принимается за ДЧП воображаемого (эквивалентного) сигнала, нулевой столбец определяется взаимодействием элементов МВТП с краем ленты и его отсчеты также носят нестационарный характер. Появление информации в нулевом столбце ДЧП эквивалентно появлению инфранизких частот в обратном ДЧП. Такое свойство позволяет отстроится от реальных помех посредством цифровой высокочастотной фильтрации в области сверхнизких частот,
