Czech Society for Nondestructive Testing NDE for Safety / DEFEKTOSKOPIE 2010 November 10 - 12, 2010 - Hotel Angelo, Pilsen - Czech Republic
INFLUENCE OF PARAMETERS OF PARTICLE IMPACT ON SHAPE OF ACOUSTIC EMISSION SIGNAL VLIV PARAMETRģ NÁRAZU ýÁSTICE NA TVAR SPEKTRA SIGNÁLU AKUSTICKÉ EMISE Miroslav UHER, Petr BENEŠ Vysoké uþení technické v BrnČ, FEKT-ÚAMT Contact e-mails:
[email protected],
[email protected] Abstract One of the possible methods for generation of AE signal for non-destructive testing is an application of striking particles on device under test. Impacting particles generate an impulse AE, which is spreading by material of device. The state of the material is evaluated by sensing of AE signal at different locations on verified subject. For defectoscopic analysis it is useful to have the opportunity to influence the generated signal. The theory of impact implies that changes of the signal may be achieved by changing the parameters of impact (particle size and velocity, specific mass of the materials, elastic modulus and Poisson's constant of materials). The paper is therefore aimed at assessing the practical research of the influence of the impact parameters on the frequency spectrum of AE signal. Furthermore, comparison to theoretical knowledge was performed. The research was focused on the study of composition of the mixture created from particles of two different granularities. It also deals with the predictability of the shape of the spectrum AE signal and finding appropriate statistical parameters of AE, which are associated with parameters of impact and which can be used for this prediction. The present results show that it is possible to successfully determinate set of statistical parameters, linked to the impact parameters. Key words: acoustic emission, frequency spectrum, theory of impact, particle size. Abstrakt Jednou z možných metod generování signálu akustické emise urþeného pro defektoskopické metody je pĤsobení dopadajících þástic na zkoumaný pĜedmČt. ýástice pĜi svém dopadu generují impulsní AE, která se šíĜí materiálem. Snímáním signálu AE na rĤzných místech je vyhodnocován stav materiálu zkoumaného pĜedmČtu. Pro defektoskopickou analýzu je vhodné mít možnost generovaný signál ovlivĖovat. Teoreticky je podloženo, že zmČny signálu lze dosáhnout pomocí zmČny parametrĤ nárazu (velikost þástic a jejich rychlost, hustota materiálĤ, modul pružnosti a Poissonova konstanta materiálĤ). ýlánek je proto zamČĜen na zhodnocení praktického výzkumu vlivu parametrĤ nárazu na frekvenþní spektrum signálu AE a jeho srovnáním s teoretickými poznatky, pĜiþemž hlavní pozornost byla vČnována studiu odlišení smČsi þástic o dvou rĤzných zrnitostech. Zabývá se také možnostmi predikce tvaru spektra AE a jeho cílem je nalézt vhodné statistické parametry spektra AE, které jsou s parametry nárazu spjaty a mohou být pro tuto predikci využity. Z dosavadních výsledkĤ vyplývá, že je možné tyto statistické parametry provázané s parametry nárazu þástice úspČšnČ stanovit. Klíþová slova: akustická emise, frekvenþní spektrum, teorie rázu, velikost þástic.
DEFEKTOSKOPIE 2010
269
1. Úvod Signál akustické emise pro defektoskopickou analýzu v praxi vzniká obvykle pĜi mechanickém namáhání zkoumaného materiálu. MénČ obvyklým zpĤsobem je generování signálu s využitím rázu dopadajících þástic na testovaný materiál. BČhem každého rázu þástice dochází k deformaci povrchu þástice a zkoumaného materiálu, pĜi kterém se generuje impulsní akustická emise. Poþáteþní podmínky, se kterými tČlesa do rázu vstupují, mĤžeme s jistou dávkou abstrakce nazvat parametry nárazu. Tyto parametry pak definovaným zpĤsobem urþují nejenom vlastnosti rázu ale rovnČž prĤbČh generovaného signálu AE. Pro potĜeby defektoskopické analýzy je vhodné znát teoretický vztah mezi parametry rázu a generovaným signálem, tato znalost totiž umožĖuje opaþný pĜístup: tedy pĜizpĤsobení parametrĤ nárazu požadovanému tvaru signálu AE. Pokud v uvažovaném pĜípadČ na zkoumaný materiál dopadají þástice náhodnČ, lze signál AE popsat dostupnými statistickými parametry. PĜedložený þlánek se tedy vČnuje zkoumání problematiky vlivu parametrĤ nárazu þástic na signál AE a ovČĜení vlivu zvolených parametrĤ na statistické parametry signálu AE. 2. Teorie rázu v literatuĜe Ráz tČlesa a jeho vliv na signál AE je známý a na jeho principu je napĜíklad založeno mnoho mČĜících metod využívajících AE. PĜi použití v defektoskopii zkoumané tČleso slouží jako umČlá pĜekážka padajícím þásticím, na které tyto þástice narážejí. Situaci ukazuje Obr. 1. Jak již bylo Ĝeþeno, rázy þástic generují akustickou emisi, kterou snímáme. Vznik akustické emise lze vhodnČ popsat pomocí Hertzovy teorie rázu [4]. Hertzova teorie v limitním pĜípadČ definuje vztahy pro dobu trvání rázu T a maximální velikost síly bČhem rázu Fmax. pro náraz sférického tČlesa na rovinnou desku. Tyto dvČ veliþiny mají zásadní vliv na tvar signálu akustické emise, Fmax je spjata s velikostí generovaného signálu, T pak s þasovým prĤbČhem signálu AE. Aproximaþní vztahy ve vhodném tvaru (1) až (4) získané z Hertzovy teorie vyjadĜuje Beneš a Zehnula [1]. Uvedené vztahy vyjadĜují závislost na parametrech nárazu, které definuje Hertzova teorie. Každý z tČchto parametrĤ se pak podílí na ovlivnČní tvaru signálu AE.
T | D1 D 2 0, 4 U 0, 4v0, 2 r
(1)
Fmax | D1 D 2 0, 4 U 0,6 v1, 2 r 2
(2)
kde: T je doba trvání rázu, Fmax je maximální hodnota síly pĜi rázu, Obr. 1 Vznik AE dopadem þástic. Fig 1 AE generation by colliding particles.
270
ȡ je hustota materiálu sférického tČlesa v je rychlost narážejícího tČlesa a r je polomČr sférického tČlesa.
DEFEKTOSKOPIE 2010
D1
1 P1
G1
D2 (3)
1 P2
G2
(4)
kde: µ1 a µ2 jsou Poissonovy konstanty materiálĤ þástice a nárazové desky a G1 a G2 jsou moduly pružnosti obou materiálĤ þástice a desky ve smyku. V literatuĜe se samostatnČ tato problematika nevyskytuje. Z hlediska studia vlivu nárazu na signál AE však studovanou problematiku nalézáme u autorĤ, kteĜí se vČnují prĤtoku pevných þástic. VČtšina autorĤ, kteĜí se zabývali mČĜením parametrĤ prĤtoku pevných þástic pomocí signálu AE, se však omezilo pouze na mČĜení stĜední hodnoty velikosti þástic. Cao a kol. [3] analyzoval signál AE pomocí vlnkové transformace a mimo stĜední velikost þástic zjišĢoval ve své studii také energii AE a hmotnostní prĤtok þástic. MČĜením stĜední velikosti þástic ve fluidní vrstvČ se ve své práci vČnuje Hou a kol [5], mj. se zabývá také predikcí nežádoucích shlukĤ. MČĜení stĜední hodnoty prĤmČru þástic se velmi þasto objevuje pĜi granulaþních procesech, které se nejþastČji užívají ve farmaceutickém prĤmyslu. Na velikosti vytvoĜených granulí totiž závisí množství úþinné látky obsažené ve vyrobených granulích. Akustická emise se zde vhodnČ uplatĖuje pĜi hledání tzv. koncového bodu granulace, tedy bodu, kdy vzniká nejvČtší množství granulí o požadovaných vlastnostech (velikost þástic, obsah vlhkosti apod.). V této oblasti bylo provedeno již nČkolik studií a metoda AE je v této oblasti nasazována i do praxe. Analýze prĤmČrné velikosti granulí a predikci obsahu vlhkosti granulí se ve svých pracích vČnují Matero a kol. [6] a. Tsujimoto a kol. [7]. KoneþnČ Briens a kol. [2] se ve své práci zabývá nalezením koncového bodu granulace v úzké souvislosti s velikostí þástic a studuje vliv umístČní senzoru AE. Cílem tohoto þlánku je experimentální ovČĜení vlivu parametrĤ nárazu na signál AE. V þlánku budou prezentovány výsledky prvních provedených mČĜení v této oblasti, ve kterých byly sledovány parametry velikost þástic a jejich rychlost. 3. Experimentální pracovištČ Schéma mČĜícího systému pro provádČné experimenty je zachyceno na Obr. 2, jeho reálná podoba pak na Obr. 3. MČĜící aparatura se skládala ze zásobníku, umístČného nad záchytnou nádobou. Zásobník byl ovládán ventilem. Jako mČĜený materiál byly využity keramzitové granule, používané ve stavebnictví. Mezi zásobníkem a nádobou byla pak vložena pĜekážka tak, aby na ni dopadaly protékající pevné þástice. Jako pĜekážka byl použit duralový úhelník, který sloužil zároveĖ jako vlnovod pro pĜenos ultrazvukových vln AE ke snímaþi AE. Jako snímaþ AE byl použit piezoelektrický snímaþ AURA SV 416. Signál ze snímaþe byl bez dalších úprav pĜiveden pĜímo na vstup mČĜící karty NI PXI 5922. Tato karta obsahuje 24bitový vysokorychlostní A/D pĜevodník. NamČĜený signál byl zpracován pomocí NI LabVIEW 8.5. Pro zpracování dat byla sestavena vhodná mČĜící aplikace. Tato aplikace umožnila pĜímý výpoþet výkonového spektra z namČĜených dat pomocí FFT. Aplikace zároveĖ provádČla záznam vypoþítaného spektra na pevný disk poþítaþe. Ze záznamu spektra byly pro následující analýzu vypoþítány prĤmČrné hodnoty spektrálních þar. PrĤmČr byl získán ze souboru 1000 po sobČ jdoucích
DEFEKTOSKOPIE 2010
271
spekter, které byly získány v dobČ, kdy na pĜekážku dopadaly granule. Signál AE byl na mČĜící kartČ mČĜen pĜi zvoleném rozsahu 10 V. Pro výpoþet výkonového spektra pomocí FFT bylo použito 1024 vzorkĤ se zvolenou Hanningovou oknovací funkcí. Záznamová rychlost karty byla nastavena 256 kS/s.
Obr. 2 Schéma pracovištČ. Fig 1 Scheme of workplace.
Obr. 3 Reálné uspoĜádání pracovištČ. Fig 3 Real arrangement of workplace.
4. Výsledky a diskuse PĜed vlastními experimenty byl promČĜen vlastní šum piezoelektrického snímaþe AE AURA SV 416 a byla provedena zkušební mČĜení s keramzitovými granulemi. Pomocí tČchto mČĜení bylo urþeno vhodné frekvenþní pásmo, ve kterém je zmČna amplitud spektra nejvýraznČjší a má je proto smysl analyzovat. Toto pásmo bylo urþeno jako 0-128 kHz, þemuž odpovídá zvolený poþet vzorkĤ a vzorkovací frekvence. NamČĜené výkonové spektrum šumu snímaþe je uvedeno v grafu na Obr. 4.
Obr. 4 Výkonové spektrum použitého snímaþe AE ve zvoleném frekvenþním pásmu. Fig 4 Power spectrum of noise of used AE transducer in selected frequency range.
272
DEFEKTOSKOPIE 2010
První þástí provedených mČĜení bylo experimentální ovČĜení vlivu parametru velikosti þástic. Z uvedené Hertzovy teorie rázu vyplývá, že doba rázu þástic T a maximální síla pĤsobící bČhem rázu Fmax ovlivĖuje velikost amplitudy spektrálních þar. MČlo by tedy platit, že menší þástice by mČly vykazovat nižší amplitudy spektrálních þar na nižších frekvencích, kdežto na vyšších frekvencích by mČly mít spektrální þáry vyšší amplitudy. Naopak u vČtších granulí by mČlo platit, že vyšší amplitudy spektrálních þar by se mČly nacházet na nižších frekvencích, zatímco na frekvencích vyšších by pak mČly mít spektrální þáry nižší amplitudu. Pro zjištČní platnosti výše uvedeného pĜedpokladu byl zvolen následující experiment. K dispozici byly dvČ frakce keramzitových granulí s velikostí þástic 4-8mm a 8-16mm. ObČ frakce byly pomocí mČĜící aparatury sypány ze stejné výšky (15 cm) a byla zmČĜena výkonová spektra takto vzniklého signálu AE. V další fázi bylo vytvoĜeno pČt hmotnostních smČsí tČchto frakcí. Tyto smČsi byly míchány v pomČru malé granule/celková hmotnost jako smČsi 2/8, 3/8, 4/8, 5/8 a 6/8. Pro uvedené smČsi byla rovnČž namČĜena výkonová spektra (výška, ze které þástice dopadaly, byla opČt 15 cm). Pro základní statistické zpracování signálu a prĤkaznČjší porovnání získaných spekter mezi sebou bylo zvoleno zpracování namČĜených amplitud v pásmech frekvencí se stejným krokem. Krok jednotlivých frekvenþních intervalĤ byl zvolen 8 kHz, v tČchto frekvenþních pásmech byly vypoþítány prĤmČrné hodnoty amplitud spekter a tyto hodnoty byly zakresleny do grafu uvedeného na Obr. 5.
Obr. 5 Analyzovaná data pro vytvoĜené smČsi frakcí þástic (malé þástice/celek). Fig 5 Analyzed data for mixtures (the fractions expressed part of smaller particles).
DEFEKTOSKOPIE 2010
273
Z grafu uvedeného na Obr. 5 je vidČt, že analyzovaná spektra získaná pro obČ frakce granulí (jsou v grafu vyznaþeny jako limitní kĜivky pĜerušovanou þarou) a jejich hmotnostní smČsi velmi dobĜe odpovídají teoretickým pĜedpokladĤm. SmČsi þástic s vyšším obsahem menších þástic mají vČtší amplitudy na vyšších frekvencích a smČsi s pĜevahou vČtších þástic mají maxima amplitud spektrálních þar umístČna na nižších frekvencích, které odpovídají delší dobČ rázu. PĜehlednČ jsou velikosti amplitud výkonových spekter uvedeny v grafech na Obr. 6 (pro nižší frekvence v pásmu 8-16 kHz) a na Obr. 7 (pro vyšší frekvence v pásmu 104-112 kHz). Z tČchto grafĤ lze jasnČ vidČt, že drobnou odchylku od teoretického prĤbČhu amplitud mĤžeme pozorovat pouze u smČsi 2/8 (pro menší granule) na nižších frekvencích.
Obr. 6 PrĤmČrné amplitudy spektrálních þar jednotlivých smČsí, pásmo 8-16 kHz. Fig 6 Average amplitudes of spectral lines of mixtures in frequency range 8-16 kHz.
Obr. 7 PrĤmČrné amplitudy spektrálních þar jednotlivých smČsí, pásmo 102-114 kHz. Fig 7 Average amplitudes of spectral lines of mixtures in range 102-114 kHz.
274
DEFEKTOSKOPIE 2010
Ve druhé þástí provedených mČĜení byla experimentálnČ ovČĜena závislost tvaru spektra na rychlosti dopadajících þástic. Pro experiment byla zvolena pouze jedna frakce keramzitových granulí o velikosti þástic 4-5 mm. ZmČna rychlosti dopadajících þástic byla realizována v tomto mČĜení velmi triviálnČ pomocí zmČny výšky, ze které þástice na hliníkový úhelník dopadaly. Výška se bČhem experimentu mČnila po konstantním kroku 5 cm. Samotné mČĜení se pak nelišilo od mČĜení vlivu velikosti þástic, výpoþet spekter probíhal se stejnými parametry a stejná byla také následná analýza prĤmČrováním amplitud spekter ve zvolených frekvenþních krocích. Získaná analyzovaná data jsou zobrazena v grafu na Obr. 8.
Obr. 8 Analyzovaná data pro þástice 4-5 mm s rĤznou rychlostí (výškou dopadu). Fig 8 Analyzed data for particles (fraction 4-5 mm) with different velocities (the change of impacting particles velocities was made by the change of height). Z uvedeného grafu na Obr. 8 vyplývá, že zmČna rychlosti þástic má vliv na celou kĜivku spektra v analyzované oblasti. PĜi zmČnČ parametru rychlosti tedy zjevnČ nedochází ke zmČnám amplitud spektrálních þar rozdílnČ v urþitých pásmech, jako tomu bylo v pĜípadČ parametru velikosti þástic, ani nedochází ke kĜížení mezi jednotlivými spektry. Se zvyšující se rychlostí þástic dochází pouze k posunu celého spektra smČrem k vyšším amplitudám spektrálních þar. PĜíþinu tČchto skuteþností lze hledat v teoretické závislosti parametrĤ mČĜeného signálu AE na vstupních parametrech, které se mČní. Vrátíme-li se ke vztahĤm (1) a (2), vidíme, že zmČna maxima síly bČhem rázu Fmax se mČní v závislosti na rychlosti s mocninou v1,2, kdežto doba rázu se mČní se zmČnou rychlosti mnohem ménČ a navíc opaþným smČrem s mocninou v-0,2. Posun amplitud spektrálních þar se proto na frekvenþní ose v uvedené analýze témČĜ neprojevuje, zatímco zmČna amplitudy spektrálních þar je výrazná. Naproti tomu ve spektrech získaných pro smČsi þástic s rĤznými velikostmi se jasnČ projevuje vliv velkých vah r1 pro dobu rázu a r2 pro velikost amplitudy síly bČhem rázu.
DEFEKTOSKOPIE 2010
275
5. ZávČr ýlánek shrnuje provedené experimenty a následnou analýzu signálu AE pĜi ovČĜování vlivu parametrĤ nárazu na tvar spektra tohoto signálu. Z prvních provedených mČĜení vyplývá, že tvar spektra je možné pro potĜeby defektoskopické analýzy ovlivĖovat. Praktické výsledky potvrzují pĜedpoklady získané z Hertzovy teorie rázu. Prakticky byl promČĜen vliv velikosti þástic a jejich rychlosti na tvar spektra signálu AE. Bylo potvrzeno, že zmČnou velikosti þástic lze ovlivĖovat pomyslnou smČrnici sklonu namČĜeného výkonového spektra signálu. PĜi mČĜení vlivu zmČny rychlosti þástic bylo ovČĜeno, že se tato zmČna projeví nejvíce v posunu tvaru výkonového spektra v ose amplitud spektrálních þar. ZjištČné poznatky mohou sloužit k vhodnému nastavení velikosti a rychlosti dopadajících þástic na zkoumaný objekt pro získání generovaného signálu AE o vhodných parametrech, napĜíklad pro pĜizpĤsobení generovaného signálu zvolenému snímaþi AE. RovnČž bylo ovČĜeno, že pomocí vhodné statistické analýzy signálu je možné spektra kvantitativnČ srovnávat z hlediska vstupních parametrĤ a je možné þásteþnČ zpČtnČ predikovat, jaké bude rozložení tČchto parametrĤ na základČ znalosti vstupních parametrĤ nárazu. Studium této problematiky na našem pracovišti dále pokraþuje hledáním vztahĤ mezi statistickými parametry spektra a parametry nárazu dopadajících þástic. PodČkování Tento þlánek vznikl za podpory Ministerstva školství, mládeže a tČlovýchovy ýeské republiky (Výzkumný zámČr MSM0021630529 Inteligentní systémy v automatizaci), Grantové agentury ýR (102/09/H081 SYNERGIE – Mobilní senzorické systémy a sítČ) a Vysokého uþení technického v BrnČ. Bez podpory výše uvedených institucí by prezentovaný výzkum nebyl možný. Použitá literatura [1] BENEŠ, P., ZEHNULA, K. New design of two-phase flowmeters. Elsevier: Sensors and Actuators A: Physical. November 2000, Volume 48, s. 220-225. ISSN: 0924-4247. [2] BRIENS, L., DANIHER, D., TALLEVI, A. Monitoring high-shear granulation using sound and vibration measurements. Elsevier: International Journal of Pharmaceutics. February 2007, Volume 331, s. 54-60. ISSN: 0378-5173. [3] CAO, Y., WANG, J., YANG, Y. Multi-scale analysis of acoustic emissions and measurement of particle mass flowrate in pipeline. Journal of Chemical Industry and Engineering. June 2007, Volume 58, No. 6, s. 1404-1410. ISSN: 0438-1157. [4] GOLDSMITH, W. Impact: The theory and physical behaviour of colliding solids. London: Edward Arnold Publishers, 1960. 396 s. ISBN: 0-486-42004-3. [5] HOU, R., HUNT, A., WILLIAMS, R. A. Acoustic monitoring of pipeline flows: particulate slurries. Elsevier: Powder Technology. November 1999, Volume 106, s. 30-36. ISSN: 0032-5910. [6] MATERO, S., et al. The feasibility of using acoustic emissions for monitoring of fluidized bed granulation. Elsevier: Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems. December 2008, Volume 97, s. 75-81. ISSN: 0169-7439. [7] TSUJIMOTO, H., et al. Monitoring particle fluidization in fluidized bed granulator with an acoustic emission sensor. Elsevier: Powder Technology. November 2000, Volume 113, s. 88-96. ISSN: 0032-5910.
276
DEFEKTOSKOPIE 2010
