Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса исследований 10
1.1. Проблема энергоэффективности 10
1.2. Контроль состояния тепловых сетей 11
1.3. Методы контроля трубопроводов 13
1.4. Метод акустической эмиссии
1.4.1. Сравнение метода акустической эмиссии с другими методами контроля
1.4.2. Диапазон применения метода акустической эмиссии 24
1.4.3. Достоинства и недостатки метода акустической эмиссии 28
1.5. Повышение эффективности эксплуатации тепловых сетей
30 путем разработки методики их диагностирования
1.6. Выводы. Цель и задачи исследования 34
ГЛАВА 2. Акустико-эмиссионный контроль 36 53
2.1. Особенности акустико-эмиссионного контроля 36
2.2. Классификация источников акустической эмиссии 39
2.3. Аппаратура, используемая при акустико-эмиссионном контроле
2.4. Методы определения координат источников акустической эмиссии
2.5. Погрешность вычисления координат 55
2.6. Проблема зашумленности
2.6.1. Виды шумов 58
2.6.2. Борьба с шумами 60
2.7. Выводы по главе 63
ГЛАВА 3. Веивлет преобразование и его применение для выделения сигналов
3.1. Основные понятия теории вейвлетов 64
3.1.1. История появления вейвлетов 6 5
3.1.2. Особенности вейвлетов
3.2. Применение теории и практики вейвлет преобразования в приложениях распознавания сигналов и неразрушающего контроля
3.3. Использование PSNR метрики для выявления дефектов в изделиях 3.4. Особенности использования вейвлетов в борьбе с шумами 80
3.5. Выводы по главе 82
ГЛАВА 4. Экспериментальный стенд и методика проведения исследовании
4.1. Экспериментальный стенд для исследования участков труб 84
4.2. Измеряемые параметры сигналов 86
4.3. Приборное обеспечение 88
4.4. Методика проведения экспериментов 91
4.5. Экспериментальные данные, полученные на стенде при исследовании незаполненной трубы, и их анализ
4.6. Экспериментальные данные, полученные на стенде при исследовании контура, заполненного жидкостью, и их анализ
4.6.1. Анализ полученных результатов 108
4.6.2. Оценка погрешности экспериментального стенда для исследования нагруженной трубы с циркулирующей жидкостью
4.7. Устройство для мониторинга трубопроводов 114
4.8. Выводы по главе 117
ГЛАВА 5. Мониторинг состояния тепловых сетей с использованием геоинформационных технологий
5.1. Электронные модели систем теплоснабжения 118
5.2. Возможности ГИС ZULU 122
5.3. Выводы по главе 13 3
Заключение 134
Список использованной литературы
- Сравнение метода акустической эмиссии с другими методами контроля
- Методы определения координат источников акустической эмиссии
- Применение теории и практики вейвлет преобразования в приложениях распознавания сигналов и неразрушающего контроля
- Экспериментальные данные, полученные на стенде при исследовании незаполненной трубы, и их анализ
Введение к работе
Актуальность темы. Согласно Энергетической стратегии России на период до 2020 года, приоритетными направлениями развития энергетики и теплоснабжения являются снижение удельных затрат топлива при производстве и потреблении энергоресурсов за счет применения энергосберегающих технологий и оборудования, увеличение надежности теплоснабжения, а также сокращение тепловых потерь при транспортировке теплоносителя.
В ряде населенных пунктов до 60% тепловой энергии, вырабатываемой из первичных энергоносителей, теряется на пути следования к потребителю. Потери происходят из-за разных факторов, в число которых входят два основных типа повреждений, приводящих в конечном итоге к разрушению трубопровода - трещиноподобные дефекты и дефекты коррозионной природы. В этой связи необходим контроль состояния трубопроводов. Внедрение систем контроля тепловых сетей сдерживается отсутствием методик контроля, учитывающих конструктивно-технологические и эксплуатационные особенности объектов контроля, несовершенством аппаратуры для работы в производственных условиях, а также отсутствием достоверных данных об информативных параметрах, отражающих тип дефекта и их связи с критериями разрушения. При проведении контроля трубопроводных систем необходимо применение методов неразрушающего контроля (НК), позволяющих осуществлять обнаружение дефектов, возникающих в процессе эксплуатации по всей длине диагностируемого участка. Среди интегральных способов контроля широкое применение в промышленности получил метод акустической эмиссии (АЭ), в частности, при диагностике состояния энергетических агрегатов. Основой метода АЭ является акустическое излучение при пластической деформации твердых сред, трений, прохождении жидких и газообразных сред через узкие отверстия - сквозные дефекты. Эти процессы порождают волны, регистрируя которые, можно судить о протекании процессов и их параметрах. Он позволяет не только обнаруживать наиболее опасные дефекты, развивающиеся в контролируемом объекте, но и оценивать степень их опасности, продлевать эксплуатационный цикл ответственных промышленных объектов, прогнозировать вероятность возникновения аварийных разрушений. Однако метод АЭ обладает и недостатками, основным из которых является низкая помехоустойчивость. В диссертационной работе решается задача развития метода акустической эмиссии применительно к контролю трубопроводов на фоне шумов.
Объект исследования - сигналы акустической эмиссии на фоне шумов от работающего оборудования.
Предмет исследования - акустико-эмиссионный метод контроля состояния трубопроводов.
Цель исследования - разработка метода и информационно-измерительной системы контроля состояния трубопроводов методом акустической эмиссии на основе вейвлет фильтрации.
В соответствии с целью исследования были поставлены следующие задачи.
-
Обосновать эффективность вейвлет преобразования для очистки от помех эталонного сигнала акустической эмиссии. Определить тип вейвлетов, эффективно выделяющий полезный сигнал на фоне помех при сравнимых уровнях сигнала и шума.
-
Исследовать применимость PSNR (peak signal-to-noise ratio) метрики для обработки затухающих акустических сигналов.
-
Разработать алгоритм и методику, позволяющую обнаруживать дефекты трубопроводов по анализу сигналов акустической эмиссии.
-
Разработать опытную установку и провести экспериментальные исследования трубопроводов при разных уровнях шумов.
-
На основе теоретических и экспериментальных исследований разработать методику контроля трубопроводов методом акустической эмиссии на основе вейвлет фильтрации.
Методы исследования. Теоретическая часть основывается на методах подавления и фильтрации шумов вейвлет преобразованием, развитых в работах Daubeches I., Kaiser G., Pen U., Van den Berg J.C., Галягина Д., Фрика П.Г., Дремина И.М., Новикова Л.В., Воробьева В.И., Грибунина В.Г., Петухова А.П., Шитова А.Б., Щукина Е.Л., Штарка Г.Г., Яковлева А.Н., Акутина М.В. Экспериментальная часть выполнена с применением цифровой обработки сигналов, технологии «Виртуальных приборов» среды графического программирования Lab VIEW фирмы National Instrument, и , предоставившей драйвера, основана на работах Суранова А.Я., Батоврина В.К., Бессонова А.С., Мошкина В.В., Папуловского В.Ф., Бутырина П.А., Васьковской Т.А., Каратаева В.В., Материкина СВ., Тревиса Д., Сато Ю., Иванова В.И., Бигуса Г.А., Власова И.Э. Разработанный метод контроля может использоваться в системе мониторинга тепловых сетей на основе геоинформационных технологий, развиваемых авторами James Corbett, Donald Cooke, Maxfield, Howard Fisher, Dana Tomlin, William Garrison, Torsten Hagerstrand, Harold McCarty, Ian McHarg, Ашировым A.A., Озеровым Д.А. (OOO «Политерм»), Ексаевым А.Р. (ИВЦ «Поток»).
Научная новизна заключается в следующем:
1. Обоснована эффективность вейвлет преобразования для фильтрации
акустического сигнала от шумов при использовании источника Су-Нильсена
(излома графитового стержня, имитирующего АЭ сигналы).
-
Установлена работоспособность PSNR метрики при контроле изделий по анализу затухающих акустических сигналов, позволяющей рассматривать изменения в отдельных частотных диапазонах и не зависящей от фазы сигнала.
-
Проанализированы сорок типов вейвлет-базиса и определен тип вейвлета Mexican Hat как эффективно выделяющий эталонный сигнал АЭ на фоне помех при сравнимых уровнях сигнала и шума.
4 Разработан новый метод контроля состояния трубопроводов на основе вейвлет фильтрации сигналов акустической эмиссии.
На защиту выносятся
1. Результаты исследований влияния шума на обнаружение сигнала акустической эмиссии от шумов при использовании источника Су-Нильсена.
-
Результаты исследований обнаружения дефектов в изделиях PSNR метрикой по анализу затухающих акустических сигналов.
-
Методика обработки сигналов на основе вейвлет разложения, позволяющая обнаруживать сигнал АЭ, уровень которых близок к уровню шумов.
-
Разработанная установка и результаты экспериментальных исследований по обнаружению сигналов акустической эмиссии на фоне шума.
-
Метод контроля дефектов трубопроводов, типа трещина, по анализу сигналов акустической эмиссии на основе вейвлет фильтрации.
Достоверность полученных результатов и обоснованность выводов обеспечиваются использованием современных теоретических и экспериментальных методов исследования, аттестованных контрольно-измерительных приборов и корректным применением программных продуктов, совпадением теоретических результатов с полученными экспериментальными данными, сопоставимостью результатов с данными, полученными другими исследователями.
Практическая значимость
Разработанные метод и устройство позволяют обнаруживать сигналы акустической эмиссии на фоне шумов. Разработанная программа и результаты диссертационного исследования могут быть использованы при разработке методик контроля опасных производственных объектов и всех видов трубопроводных сетей.
Реализация результатов работы. Алгоритмы обработки акустических сигналов использованы в ООО «Алтек-наука» (г. Санкт-Петербург) при разработке измерительно-диагностического комплекса, филиале 000 «КЭР-Инжиниринг» «ТатНИПИэнергопром» (г. Казань) и институте «ТатНИПИнефть» (г. Бугульма) при разработке методики контроля трубопроводов, что подтверждено соответствующими актами.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, семинарах и симпозиумах:
XIV-XVI Аспирантско-магистерских семинарах, КГЭУ, г. Казань, 2010-2012 г.г.; ХІ-ХІІ Международных симпозиумах «Энергоресурсоэффективность и энергосбережение», ГАУ «Центр энергосберегающих технологий РТ при Кабинете Министров РТ», г. Казань, 2010-2011 г.г.; Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (XVI Бенардосовские чтения), ИГЭУ, г. Иваново, 2011 г.; VI-VIII Всероссийских научных студенческих конференциях по естественнонаучным и техническим дисциплинам «Научному прогрессу - творчество молодым», ПГТУ, г. Йошкар-Ола, 2011-2013 г.г.; VI-VIII Молодежных международных научных конференциях «Тинчуринские чтения», КГЭУ, г. Казань, 2011-2013 г.г.; Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», КВАКУ, г. Казань, 16-18 мая 2011 г.; VII-VIII Региональных научно-технических конференциях (с
международным участием) «ЭНЕРГИЯ», ИГЭУ, г. Иваново, 2012-2013 г.г.; Международной научно-практической конференции «Измерения: Состояние, перспективы развития», ЮУрГУ, г. Челябинск, 2012 г.; XIX Международной научно-технической конференции «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», МЭИ, г. Москва, 2013 г.; XIX Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» СТТ-2013, ТПУ, г. Томск, 2013 г.; Всероссийском круглом столе «Молодежные идеи и проекты, направленные на повышение энергоэффективности и энергосбережение» (IV Ярославский энергетический форум), ЯГТУ, г. Ярославль, 2013 г.
Диссертационная работа выполнялась при поддержке стипендии Гранта Президента РФ молодым ученым и аспирантам, осуществляющим перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям российской экономики на 2012-2014 г.г. (грант СП-2137.2012.1).
Публикации.
По теме диссертации опубликована 21 печатная работа, из них 3 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК РФ, 2 патента на полезную модель, 2 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Личный вклад автора.
Автор принимал непосредственное участие в разработке методики обработки зашумленных сигналов, разработке и создании экспериментального стенда и устройства для контроля трубопроводов, в написании программного обеспечения для регистрации, обработки и анализа данных, проводил все измерения, первичную и статистическую обработку и анализ экспериментальных данных.
Соответствие диссертации научной специальности.
Диссертация соответствует специальности 05.11.13 «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» и относится к следующим областям исследования:
1. Разработанный метод контроля технического состояния
трубопроводов по анализу сигналов акустической эмиссии на основе вейвлет
фильтрации соответствует п. 1 «Научное обоснование новых и
усовершенствование существующих методов аналитического и
неразрушающего контроля природной среды, веществ, материалов и
изделий».
-
Разработка и создание устройства для акустико-эмиссионного контроля тепловых сетей соответствует п.З «Разработка, внедрение и испытания приборов, средств и систем контроля природной среды, веществ, материалов и изделий, имеющих лучшие характеристики по сравнению с прототипами».
-
Разработка программ сбора и обработки сигналов акустической эмиссии соответствует п.6. «Разработка алгоритмического и программно-технического обеспечения процессов обработки информативных сигналов и представление результатов в приборах и средствах контроля, автоматизация приборов контроля».
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы, включающей 106 наименования. Работа изложена на 160 страницах и содержит 55 рисунков, 8 таблиц и 7 приложений.
Сравнение метода акустической эмиссии с другими методами контроля
Проблема энергосбережения и повышения энергоэффективности в последнее время активно и громко обсуждается на всех уровнях политической власти - от Президента и «Единой России» до губернаторов, их замов и помощников. Среди специалистов эта тема обсуждается не так громко, т.к. проблема воспринимается как печальная неизбежность, да и некогда обсуждать - нужно обеспечить работу отрасли и ее способность греть людей, а в условиях кризиса, когда денег с трудом хватает только на латание, это непросто.
Принят Федеральный закон № 261 от 23.11.2009 г. «Об энергосбережении и о повышении энергетической энергоэффективности...» [33]. В ряде регионов при поддержке ВЭБа (Внешэкономбанк) реализуют крупные программы модернизации ЖКХ, в которых обязательным пунктом идет раздел «энергоэффективность». Впрочем, раздел этот весьма формальный. Упомянутый Фонд содействия реформированию ЖКХ на самом деле имеет отношение только к «Ж» - т.е. жилищному ремонту, собственно же коммунальное хозяйство опять остается падчерицей. А за шумными компаниями по вворачиванию энергосберегающих лампочек населению как-то уходит в тень тот факт, что износ сетей ЖКХ в регионах РФ составляет 65-90%, от четверти до трети протяженности трубопроводов требуют немедленной замены, в сетях теряется от половины до 70% подаваемого туда тепла и воды, что ведет к значительному перерасходу топлива, энергии и ресурсов. Регулярные аварии в прогнивших трубах, когда без необходимых услуг по всей стране оказываются тысячи и даже десятки тысяч человек, обостряют социальную обстановку, их ликвидация обходится в несколько раз дороже, чем плановый ремонт такого же объема.
Подготовка к отопительному сезону по-прежнему выливается в отчеты о создании резервов топлива на зиму для котельных, которые при дырявых сетях снова будут обогревать главным образом сами себя и воздух. Денег для массовой замены изношенных труб либо нет совсем, либо удается выбить незначительные суммы, в результате ежегодные объемы ремонта сетей почти в два раза отстают от их физического износа и проблема только усугубляется. Число аварий уже давно превысило 2-2,5 случаев в год на километр сетей и продолжает увеличиваться, приближаясь к «точке невозврата» (по оценке специалистов это 3-3,5 аварии на километр), что чревато массовым системным сбоем в масштабах целых регионов. Возможные последствия этого развития ситуации некоторые специалисты характеризуют как «подземный Чернобыль», начало которого с учетом срока эксплуатации сетей прогнозируется ими для малых и средних городов РФ на 2010-2011 гг.
Таким образом, крайне острая проблема есть, и ее решение необходимо государству, населению, экономике в целом. Снабженцы в МУПах на местах поясняют: «кому нужны долговечные трубы, мы живем от регулярных закупок и аварийных ремонтов, за ликвидацию которых платят в 3-4 раза больше, чем за плановые работы. А денег в случае аварии начальники всегда найдут из областного или даже федерального бюджета, никуда не денутся -социальный фактор властям себе дороже». Так и продолжается по кругу: труба - земля - авария - новая труба - земля...
Тепловые сети - это сложный комплекс, включающий в себя как трубопроводы, так и сооружения, насосное оборудование с арматурой, системы автоматики с контрольно-измерительными приборами, систему оперативно-диспетчерского и ремонтного обслуживания, системы проектирования монтажа и приемки в эксплуатацию.
Основной производственной задачей при эксплуатации тепловых сетей является обеспечение надежного, бесперебойного теплоснабжения потребителей с заданными технологическими параметрами, потому что тепловые сети - это наиболее уязвимое на сегодняшний день звено во всей цепочке теплоснабжения «генерация - транспорт - распределение».
Реальное состояние тепловых сетей таково, что и вначале XXI в. происходят повреждения, которые сопровождаются не только временным отключением потребителей, но и травмированием людей и материальным ущербом третьим лицам.
Срок эксплуатации трубопроводов [34], нормативно определенный значением 25 лет, во многих случаях не соответствует их реальному ресурсу. Ускоренная коррозия металла до сих пор является главным препятствием для обеспечения надежной и безопасной эксплуатации тепловых сетей.
Условия коррозионного воздействия на металл в различных зонах залегания тепловых сетей сильно отличаются. В эксплуатационных районах информация о техническом состоянии трубопроводов формируется, главным образом, по результатам регламентных обходов, сведений о расположении смежных подземных коммуникаций, на основании данных о происходящих ранее повреждениях, о типе и состоянии тепловой изоляции, заливании и подтопляемости каналов и подземных сооружений, исправности дренажной системы, дат предшествующих перекладок и т.п. Однако большая часть тепловых сетей все же остается недоступной для непосредственного осмотра. Для рационального использования трудовых и финансовых ресурсов уже недостаточно руководствоваться такими оценками, как «совсем плохо» или «еще терпимо». Необходимо как можно более точно, определять координаты мест коррозионных разрушений металла и минимально необходимые границы производства капитального ремонта для продления остаточного ресурса работы трубопроводов, т.е. времени, в течение которого транспортировка по ним теплоносителя будет проходить без повреждений. Сделать это можно только на основании комплексного учета различных факторов путем применения методов неразрушающего контроля.
Методы определения координат источников акустической эмиссии
Каждый более высокий класс источника АЭ предполагает выполнение всех действий, определенных для всех источников более низких классов. При положительной оценке технического состояния объекта по результатам АЭ контроля или отсутствии зарегистрированных источников АЭ применение дополнительных видов НК не требуется. Если интерпретация результатов АЭ контроля не определена, рекомендуется использовать дополнительные виды НК.
Применение конкретных систем классификации источников АЭ и критериев оценки состояния объектов зависит от механических и акустико-эмиссионных свойств материалов контролируемых объектов. Выбор системы классификации и критериев оценки состояния объекта проводят, используя перечисленные ниже системы классификации и критерии состояния контролируемого объекта. Каждый раз при использовании той или иной системы классификации и критериев оценки (и соответствующих значений параметров сигналов АЭ, определяющих классы источников и критерии оценки) следует обосновывать их применение.
Классификация источников АЭ при выполнении контроля производственного объекта является одной из наиболее важных и принципиальных технологических операций АЭ метода. В каждом случае регистрация источника АЭ для отнесения его к тому или иному классу следует учитывать много факторов.
При разработке методики АЭ контроля необходимо определить возможность возникновения источников каждого типа - источников непрерывной АЭ и источников дискретной АЭ; возможность их идентификации, оценки и определения важности их идентификации и влияния процессов в источнике на конструкцию, а так же влияние конструкции на процессы в источнике. При этом можно считать, что непосредственное влияние масштабного фактора на параметры АЭ оказывается в меньшей степени, чем влияние его на параметры механики разрушения. Это связано с тем, что параметры АЭ непосредственно связаны только с локальными условиями протекания динамических процессов.
Дополнительно к вышеизложенному классификацию источников АЭ можно проводить по следующим параметрам: - по амплитуде импульсов АЭ; - по показателю активность-сила источника АЭ; - по критерию Иванова-Быкова; - по концентрационно-динамическому показателю АЭ; - по критерию Кода ASME; - в технологии MONPAC [45]; - по критерию непрерывной АЭ. 2.3. Аппаратура, используемая при акустико-эмиссионном контроле
Для регистрации АЭ при испытаниях крупномасштабных объектов применяют акустико-эмиссионную аппаратуру в виде многоканальных систем, позволяющих определять координаты источников сигналов и характеристики АЭ с одновременной регистрацией параметров нагружения (давления, температуры и т.д.).
Многоканальная акустико-эмиссионная система должна включать: - комплект предварительных усилителей; - кабельные линии; - блоки предварительной обработки и преобразования сигналов АЭ; - ЭВМ с необходимым математическим обеспечением; - средства отображения информации; - блоки калибровки системы.
Акустико-эмиссионная система может быть как стационарной, так и передвижной. Для контроля объектов простой конфигурации или в случаях, когда не требуется определение местоположения дефектов, допускается применение менее сложной аппаратуры, т.е. одноканального прибора (приборов), либо многоканальной системы в режиме зонного контроля.
Акустико-эмиссионная система должна обеспечивать как оперативную обработку и отображение информации в режиме реального времени, так и обработку, отображение и вывод на периферийные устройства для документирования накопленных в течение испытания данных после окончания испытания.
К такой информации относятся: - номера групп преобразователей АЭ, зарегистрировавших импульс АЭ, либо номер преобразователя АЭ; - координаты каждого зарегистрированного импульса АЭ (в режиме зонного контроля это не требуется); - амплитуда импульса АЭ (амплитудное распределение акустико эмиссионного процесса); - энергия импульсов акустической эмиссии, либо «MARSE» (Measured Area of the Rectified Signal Envelope - измеренная площадь под огибающей сигнала), либо другой энергетический параметр; - число выбросов (превышений сигналом уровня дискриминации); - временные характеристики сигнала; - параметры нагрузки, при которых зарегистрирован импульс АЭ (давление, деформация или температура); - время регистрации импульса; - значения разницы времен прихода сигналов (в режиме зонного контроля это не требуется); К акустико-эмиссионным системам предъявляются следующие общие технические требования, подтвержденные калибровочным сертификатом на аппаратуру: - рабочий частотный диапазон от 10 до 500 кГц; - неравномерность амплитудно-частотной характеристики в пределах частотного диапазона не более ±3 дБ; - ослабление сигнала за пределами рабочего диапазона при расстройстве на октаву относительно граничных частот не менее 30 дБ;
Применение теории и практики вейвлет преобразования в приложениях распознавания сигналов и неразрушающего контроля
В конце прошлого века возникло и успешно развивается новое и важное направление в теории и технике обработки сигналов, изображений и временных рядов, получившее название вейвлет преобразование, которое хорошо приспособлено для изучения структуры неоднородных процессов.
Вейвлеты - это математические функции, позволяющие анализировать различные частотные компоненты данных. Изначальное отсутствие прямого аналога английского понятия wavelet (от французского «ondelette») породило несколько его переводов. Этот термин образован из двух частей — корня wave (волна) и уменьшительного суффикса -let. Таким образом, непосредственный перевод слова звучит как «маленькая волна», «волнушка» или «волночка» (можно встретить все эти варианты). Некоторые авторы предлагают использовать слово «всплеск». В литературе можно встретить также другое написание этого слова: «вэйвлет».
Вейвлеты представляют собой особые функции в виде коротких волн (всплесков) с нулевым интегральным значением и с локализацией по оси независимой переменной (t или х), способных к сдвигу по этой оси и масштабированию (растяжению/сжатию). Любой из наиболее часто используемых типов вейвлетов порождает полную ортогональную систему функций. В случае вейвлет анализа (декомпозиции) процесса (сигнала) в связи с изменением масштаба вейвлеты способны выявить различие в характеристиках процесса на различных шкалах, а посредством сдвига можно проанализировать свойства процесса в различных точках на всем исследуемом интервале. Именно благодаря свойству полноты этой системы, можно осуществить восстановление (реконструкцию или синтез) процесса посредством обратного вейвлет преобразования. Термин вейвлет (wavelet) ввели в своей статье Гроссманн (Grossmann) и Морле (Morlet) в середине 80-х годов XX века в связи с анализом свойств сейсмических и акустических сигналов. Их работа послужила началом интенсивного исследования вейвлетов в последующее десятилетие рядом ученых таких, как Добеши (Dobechies), Мейер (Meyer), Малл (Mallat), Фарж (Farge), Чуй (Chui) и др.
Вейвлет анализ возник при обработке записей сейсмодатчиков в нефтеразведке и с самого начала был ориентирован на локализацию разномасштабных деталей. Выросшую из этих идей технологию теперь обычно называют непрерывным вейвлет анализом. Ее основные приложения: локализация и классификация особых точек сигнала, частотно-временной анализ нестационарных сигналов, неоднородных полей и изображений различной природы и временных рядов, для распознавания образов и для решения многих задач в радиотехнике, связи, электронике, ядерной физике, сейсмоакустике, метеорологии, биологии, экономике и других областях науки и техники.
За рубежом к настоящему времени по вейвлет преобразованию опубликованы сотни книг и тысячи статей. В западных университетах читаются многочасовые курсы по теоретическим и практическим аспектам вейвлет преобразования, проводятся международные научные конференции и семинары.
В России первые немногочисленные работы по применению вейвлет преобразования были опубликованы примерно с десятилетней задержкой. В основном они носили обзорный характер по материалам зарубежных публикаций [62-65]. В последние несколько лет интерес к вейвлет преобразованию у нас резко возрос. Появились учебные пособия [46, 66-74], монографии [47, 75], переведены на русский фундаментальные теоретические книги И. Добеши [76, 77] и Т. Чуй [78], вейвлетам посвящены разделы и главы в учебниках [79-83].
Подтверждением значимости вейвлет преобразования является и тот факт, что алгоритмы вейвлет преобразования представлены в широко распространенных системах компьютерной математики, таких как Mathcad, MATLAB, Mathematica, LabVIEW. Международные стандарты JPEC-200, MPEG-4 и графические программные средства Corel DRAW 9/10 широко используют вейвлет преобразование для обработки изображений и, в частности, для сжатия изображений для каналов с ограниченной пропускной способностью, например для Интернет. Кроме того, фирмой Analog Devices разработаны и выпускаются однокристальные микропроцессоры ADV6xx (ADV601, ADV601LC, ADV611, ADV612), основанные на вейвлет преобразовании и предназначенные для сжатия и восстановления видеоинформации в реальном масштабе времени.
В Санкт-Петербурге благодаря энтузиазму профессорско-преподавательского состава СПбГУ, СПбГТУ и других вузов регулярно действует городской семинар «Wavelet Seminar - вейвлеты (всплески) и их приложение». На Интернет-сайте этого семинара можно получить сведения о русскоязычных публикациях по вейвлетам, о зарубежных вейвлет ресурсах, о новых книгах и просто полезные советы.
И тем не менее вейвлет преобразование еще мало известно широкому кругу отечественных студентов, инженеров и исследователей.
Вейвлеты обладают существенными преимуществами по сравнению с преобразованием Фурье, потому что вейвлет преобразование позволяет судить не только о частотном спектре сигнала, но также о том, в какой момент времени появилась та или иная гармоника. С их помощью можно легко анализировать прерывистые сигналы, либо сигналы с острыми всплесками. Кроме того вейвлеты позволяют анализировать данные согласно масштабу, на одном из заданных уровней (мелком или крупном). Уникальные свойства вейвлетов позволяют сконструировать базис, в котором представление данных будет выражаться всего несколькими ненулевыми коэффициентами. Это свойство делает вейвлеты привлекательными для упаковки данных, в том числе видео- и аудиоинформации. Мелкие коэффициенты разложения могут быть отброшены в соответствии с выбранным алгоритмом без значительного влияния на качество упакованных данных. Вейвлеты нашли широкое применение в цифровой обработке изображения, обработке сигналов и анализе данных. Непрерывное вейвлет преобразование также используется в медицине для анализа электрокардиограмм [84]. Другая ветвь вейвлет анализа - ортогональный вейвлет анализ. Главные его применения - сжатие данных и подавление шумов.
В отличие от традиционно применяемого при анализе данных преобразования Фурье, результаты, полученные с помощью вейвлет анализа, зачастую обладают большей информативностью и способны непосредственно обрабатывать такие особенности данных, которые при традиционном подходе анализировать затруднительно.
Вейвлет преобразование вносит в обработку данных дополнительную степень свободы. Так, например, анализ Фурье способен показать поведение сигнала в частотной области, оставляя открытым вопрос о локализации во времени различных компонент сигнала. Локализационные свойства вейвлет анализа заложены в самой его структуре.
Экспериментальные данные, полученные на стенде при исследовании незаполненной трубы, и их анализ
Частотный отклик. Путем выбора резонансного датчика, обладающего заданными частотными свойствами, можно контролировать рабочую полосу частот. Регулирование полосы частот является полезным инструментом, с помощью которого можно с одной стороны настраивать прибор на полезную частоту, а с другой - увеличивать отношение сигнал/шум. На практике большинство измерений проводится с помощью датчиков, имеющих резонанс на 150 кГц.
Отклик предусилителя. Сигнал с датчика поступает на предусилитель, предназначенный для усиления сигнала. Предусилитель расположен вблизи или даже внутри датчика с целью минимизации электромагнитных наводок. Предусилитель обладает широким динамическим диапазоном и, усиливая сигнал, создает возможность передачи его по длинным кабелям таким образом, что приемная аппаратура может располагаться на расстоянии в сотни метров от места проведения контроля.
Обычно предусилитель имеет усиление 100 раз (40 дБ) и включает ФНЧ или полосовой фильтр для снижения механических и акустических фоновых шумов, преобладающих на низких частотах.
Наиболее часто используются полосовые фильтры от 100 до 300 кГц, пропускающие частоту самых распространенных резонансных датчиков, равную 150 кГц. Могут использоваться и другие частотные диапазоны, однако существуют определенные ограничения. На низких частотах появляются проблемы, связанные с ростом механических шумов, а высокие частоты сильнее затухают, что приводит к уменьшению расстояния между датчиками. Таким образом, выбор рабочей частоты ограничен сверху и снизу. Обычно низкие частоты используются при контроле трубопроводов, где критичным является выбор больших расстояний, а также при проведении геологических работ в связи с сильным затуханием волн в горных породах. Более высокие частоты используются в проводах электропередачи, где уровень фонового шума чрезвычайно высок.
Достижимая чувствительность. Предусилители сами являются источниками электронного шума, и именно этот шум определяет нижнюю границу применимости метода АЭ.
Минимальный сигнал, который можно зарегистрировать аппаратурой, имеет порядок 10 мкВ на выходе датчика, что соответствует смещению поверхности порядка 10"6 мкм. Такая чувствительность является достаточной для большинства приложений области НК.
Установка датчика. Обычно датчик устанавливается на объект контроля (рис.4.12.) с помощью специальных бандажей, магнитных или других креплений, при этом поверхность соприкосновения с донышком смазывается жидкой смазкой.
После установки датчика, прежде чем система будет запущена, ее работоспособность проверяется путем слома специального грифеля-имитатора АЭ и анализа акустического отклика на датчике. При правильной установке сигнал от слома должен напоминать сигнал от импульсного точечного воздействия.
Основные принципы работы оборудования. Во время АЭ испытаний на выходе датчиков формируются переходные (импульсные) сигналы. Сигнал от единичного акта дискретной деформации известен как сигнал взрывного (импульсного) типа. Такой сигнал обладает резким передним фронтом и медленным затуханием. Импульсные сигналы варьируются в широких пределах по форме, размеру и скорости генерации в зависимости от типа структуры и условий испытаний. При большой скорости генерации сигналов, индивидуальные импульсные сигналы могут перекрываться и формировать так называемую непрерывную эмиссию. В некоторых случаях метод АЭ основывается на регистрации такой непрерывной эмиссии.
Аппаратура, использующаяся при АЭ контроле, должна обеспечивать возможность регистрации непрерывной эмиссии или сигналов импульсного типа. Обычно оборудование должно удовлетворять следующим требованиям:
АЭ оборудование варьируется в широких пределах и по форме, и по функциональному назначению, и по цене. Некоторые типы оборудования разрабатываются с целью функционирования в автоматическом режиме в производственном цикле работы. Другие предназначаются для исследовательских целей и потому должны быть достаточно гибкими и обладать разнообразными средствами обработки информации. И, наконец, третья категория АЭ приборов разрабатывается для технических работников и инспекторов, работающих в области НК и проводящих стандартные испытания.
Регистрация сигналов акустической эмиссии. После того, как сигнал был принят датчиком и усилен предусилителем, он поступает в основную систему, где вновь усиливается и фильтруется. На следующем важном этапе происходит непосредственно выделение сигнала. Этап заканчивается тем, что когда сигнал превышает установленный порог, в компараторной цепи в цифровом виде генерируется выходной импульс. Связь между сигналом, порогом и импульсом с компаратора проиллюстрирована на рис. 4.13. Уровень порога обычно регулируется оператором; этот параметр является ключевой переменной, которая определяет чувствительность АЭ метода при испытании.
Кроме того, в зависимости от типа АЭ оборудования, чувствительность можно контролировать путем регулирования усиления основного усилителя.
Наиболее простой и испытанный способ оценки активности эмиссии заключается в подсчете числа осцилляции (counts) — числа пересечений импульсом, выданным компаратором, установленного порога (рис. 4.13).
Отображение данных. АЭ система контроля, основанная на использовании программного обеспечения, позволяет получать большое число типов графиков. Оператор не ограничен в выборе способов графического отображения данных во время сбора, поскольку после проведения послетестовой обработки результаты экспрессной обработки могут быть пересмотрены, отфильтрованы и отображены в другом виде. Приведем общую классификацию способов отображения:
На рис. 4.14,а и 4.14,Ь отображены соответственно кумулятивный и дифференциальный исторические графики АЭ - графики зависимости АЭ от времени. Кумулятивный график более удобен для оценки общей эмиссии (в количественном виде), в то время как дифференциальный график подчеркивает те изменения в активности, которые происходили в течение теста.
На рис. 4.14,с представлен исторический график АЭ данных от нагрузки. Этот график считается наиболее фундаментальным, т.к. он непосредственно связывает причину со следствием при излучении эмиссии во время нагружения. Данный тип графиков является особенно полезным при отделении «хорошей» части графика от «плохой». Обычно «плохая» часть характеризуется началом генерации АЭ сигналов уже на малых уровнях
