P11: NDT metody 5/5
Metoda akustické emise Vliv materiálu a geometrie na signál akustické emise - Jak materiál, tak i geometrie testovaného tělesa hrají zásadní roli na charakter naměřených dat. Vlny, šířící se od svého zdroje (netěsnost, propagující se trhlina, lom inkluze) podléhají následujícím fenoménům: 1. Pokles amplitudy - Pokles amplitudy pulzu je způsoben rozptylem energie vlny do objemu/plochy při současném snižování hustoty energie. 2. Disperze pulzu - Způsobena konečnými rozměry tělesa a rovněž také strukturou a samotnými vlastnostmi materiálu, ve kterém se vlna šíří.
Metoda akustické emise Vliv materiálu a geometrie na signál akustické emise 2. Disperze pulzu
Metoda akustické emise Vliv materiálu a geometrie na signál akustické emise 3. Disipace energie - Třetím mechanismem je disipace energie, která je způsobena jednak přeměnou energie na jiné formy (teplo), nebo vícenásobnými odrazy vlny na hranicích zrn. - Čím je frekvence vlny vyšší, tím je její útlum vyšší – se zvyšující frekvencí se snižuje vlnová délka a tím prudce klesá amplituda pulzu vlivem mnohačetných odrazů na hranicích zrn.
Metoda akustické emise Vliv materiálu a geometrie na signál akustické emise 4. Ostatní vlivy - Mezi ostatní vlivy, které ovlivňují propagaci pulzu, řadíme například drsnost povrchu, přítomnost nátěru, který v řadě případů silně tlumí vyšší frekvence či vliv přítomnosti provozní kapaliny při probíhajícím měření AE.
Metoda akustické emise Experimentální technika - Příslušný typ experimentální techniky je volen na základě druhu signálu, který máme v úmyslu měřit resp. zpracovávat. - Monitorování spojité a nespojité emise vychází ze společného základu, kterým je první část měřicího řetězce. Patří mezi ně snímač, předzesilovač a analogové zpracování před digitalizací. 1. Snímače akustické emise - Pro snímání AE jsou použitelné snímače piezoelektrické, kapacitní, elektromagnetické, tenzometrické popřípadě založené na jiných principech (mechanické, rezonanční, laser, apod.). - Nejčastěji jsou používány běžné piezoelektrické snímače vyrobené z PZT keramiky. - Akustická vazba mezi snímačem a tělesem resp. případným vlnovodem je realizována vazebním médiem vhodným pro rozsah pracovních teplot v místě styku.
Metoda akustické emise Experimentální technika 1. Snímače akustické emise ochranné diody
BNC konektor
tělo snímače
korundová destička PZT krystal
koaxiální kabel
Metoda akustické emise Experimentální technika 1. Snímače akustické emise - V praxi se amplituda signálu udává v jednotkách dBAE, které vyjadřují v decibelech hodnotu elektrického signálu přímo na elektrodách piezoelementu vzhledem k 1 µV. - Naměříme-li například amplitudu signálu 10 mV, dále víme, že používáme předzesilovače se zesílením 40 dB a útlum v kabelech činí 6 dB, bude těsně před předzesilovačem hodnota signálu o 6dB vyšší, tedy dvojnásobná (tzn. 20 mV). - Nezesílený signál bude mít amplitudu následující: U = 20mV/102=200µV což je 46 dBAE vs. 1 µV.
Metoda akustické emise Experimentální technika Absolutní vs. Relativní kalibrace snímačů - Kalibrace obecně slouží ke stanovení charakteristik samotných snímačů. - V případě absolutní kalibrace vyšetřujeme odezvu snímače (ve formě elektrického signálu) na vstupní mechanické buzení (δ puls budící mechanické veličiny). - Výsledkem je frekvenční spektrum, které charakterizuje citlivost snímače (poměr odezvy ve Voltech na buzení v metrech popř. Pascalech) pro stanovený rozsah frekvencí.
Metoda akustické emise Experimentální technika Absolutní vs. Relativní kalibrace snímačů - Relativní kalibrace snímače naproti tomu spočívá v podobě porovnání odezvy instalovaného snímače na jeden, neměnný typ buzení (PenTest/Hsu-Nielsenův test). - Pomocí relativní kalibrace můžeme zjišťovat buď časový záznam odezvy snímače, nebo pouze dosaženou maximální amplitudu signálu. Daná data posléze porovnáváme s výsledky z ostatních snímačů. - K realizaci testu se používá tuha o průměru 0,5 nebo 0,3 mm o tvrdosti 2H, která je lámána s využitím pentelky s plastovým, normovaným kloboučkem
Metoda akustické emise Experimentální technika Absolutní vs. Relativní kalibrace snímačů - Na následujícím obrázku je znázorněna odezva na Hsu-Nielsenův test – lom tuhy ve vzdálenosti 15 cm od snímače, který byl umístěn na kompozitní tlakové nádobě.
Metoda akustické emise Experimentální technika 2. Předzesilovač - Základní funkcí předzesilovače je zesílit a frekvenčně upravit signál z piezoelektrického snímače a dále provést jeho impedanční přizpůsobení. Zesílení předzesilovače se pohybuje v rozmezí 20-60 dB.
3. Kabelové trasy - Kabelová trasa má za úkol dopravit zesílený, frekvenčně a impedančně upravený signál do vyhodnocovací aparatury. - K těmto účelům se používají koaxiální kabely s normou stanoveným maximálně možným útlumem signálu na stanovené délce (obvykle maximálně 1 dB/30m).
Metoda akustické emise Lokalizace zdrojů akustické emise Lineární lokalizace Lineární lokalizace zdrojů akustické emise je využívána především u štíhlých těles (potrubní systémy). Pokud známe rychlost šíření elastických vln a časový rozdíl příchodu signálu, vypočteme souřadnice zdroje podle rovnice: 𝑥𝑧 = 𝑥1 ∙
𝑥2 − 𝑥1 𝑐 ∙ (𝑡1 − 𝑡2 ± 2 2
kde x1, x2 jsou souřadnice snímačů, t1 a t2 jsou doby příchodu signálu AE k snímačům č. 1 a 2 a c je rychlost šíření elastických vln.
Metoda akustické emise Lokalizace zdrojů akustické emise Lineární lokalizace
Metoda akustické emise Lokalizace zdrojů akustické emise Planární lokalizace - Planární lokalizace zdrojů akustické emise je rovněž založena na znalosti času příchodů k jednotlivým snímačům. - Podmínkou toho, abychom mohli planární lokalizaci aplikovat, je přítomnost minimálně tří snímačů na dané konstrukci.
Metoda akustické emise Lokalizace zdrojů akustické emise Zonální lokalizace - Zonální lokalizace zdrojů AE je využívána především v případě rozměrných těles (jímky na skladování plynu, rozsáhlé potrubní systémy). - U zonální lokalizace neobdržíme „přesnou“ pozici zdroje AE, nýbrž oblast jeho výskytu.
Literatura [1] Školící materiály pro kapilární metodu a metodu magnetickou práškovou, Josef Solnař s.r.o. [2] Kopec, B. a kol.: Nedestruktivní zkoušení materiálů a konstrukcí, Brno, CERM 2008, 571 s., ISBN 978-80-7204-591-4 [3] Beattie, A. G.: Acoustic Emission Non-Destructive Testing of Structures using Source Location Techniques, Sandia report, Sandia National Laboratories, September 2013, California [4] Brüel & Kjær: Acoustic emission source location, Technical review No. 2-1981, ISSN 0007-2621
