پایش وضعیت سلامت سازه با آکوستیک امیشن و امواج اولتراسونیک هدایت شده

آکوستیک امیشن (AE) و امواج اولتراسونیک هدایت شده (GUW)، به عنوان روش‌های آزمون غیر مخرب (NDT) در چندین بخش صنعتی استفاده میشوند. برای مثال، میتوان به تست پروف و بازرسی دوره‌ای مخازن تحت فشار، مخازن ذخیره، لوله‌ها یا خطوط لوله و تشخیص نشت یا خوردگی اشاره کرد.

همچنین در تحقیقات مواد، آکوستیک امیشن و امواج اولتراسونیک هدایت شونده برای توصیف مکانیسم‌های آسیب تجمعی و میکروسکوپی مفید هستند. آکوستیک امیشن و امواج اولتراسونیک هدایت شونده علاوه بر این، پتانسیل برای پایش وضعیت بلندمدت سازه‌ها را دارا می‌باشد. افزایش قدرت محاسباتی، حتی نظارت آنلاین فرآیندهای تولید صنعتی را امکان‌پذیر کرده است. ترکیب قدرت محاسباتی با هوش مصنوعی (AI) برای تجزیه و تحلیل، ممکن است به زودی امکان کنترل فرآیند آنلاین کارآمد و خودکار را فراهم کند. هوش مصنوعی همچنین در نگهداری پیش‌بینی کننده و بهینه سازی هزینه نقش دارد.

پایش طولانی مدت سلامت سازه، پایش وضعیت (SHM و CM) و کنترل فرآیند، نیازمند یکپارچه‌سازی سنسورها، تجهیزات، جمع‌آوری داده‌ها و  تجزیه و تحلیل آنها هستند. این مسئله دوام طولانی مدت تمام اجزای سیستم اندازه گیری را مطرح می‌کند. تا کنون، تنها داده‌های کمّی اندکی در دسترس است. در این مقاله جنبه‌های مختلف مثل مدت زمان رفتار سنسور، سخت‌افزار و نرم‌افزار اندازه‌گیری را ارائه و مورد بحث قرار می‌دهد. هدف، شناسایی نیازهای تحقیق و توسعه برای مدیریت سلامت سازه قابل اعتماد، مقرون به صرفه و بلندمدت و پایش وضعیت با آکوستیک امیشن و امواج اولتراسونیک هدایت‌شونده تحت بارهای مکانیکی و محیطی است.

 پدیده‌های فیزیکی انتشار آکوستیک (AE) و اولتراسونیک (UT)، که اساس روش آزمون غیر مخرب امواج اولتراسونیک هدایت شونده را فراهم میکنند، از اوایل دهه 1930 مورد مشاهده و بررسی قرار گرفتند. با این حال، تا اواخر دهه 1960 برای پیاده سازی آکوستیک امیشن و امواج اولتراسونیک هدایت شونده به عنوان روش‌های آزمون غیر مخرب که از لحاظ فنی قابل اجرا هستند، زمان زیادی سپری شد. این پیشرفت‌ها و کاربردهای صنعتی منتخب در کتاب‌های راهنمای آزمون غیر مخرب که انجمن آزمایش‌های غیرمخرب آمریکا منتشر کرده، تشریح گردیده است.

شکل 1 : آزمایش امواج اولتراسونیک هدایت شده (GUW)

 AE و GUW روش های مکمل به معنای زیر هستند :

آکوستیک امیشن بطور غیرفعال امواج الاستیک ((تولیدشده توسط مواد یا مکانیزم‌های خاص جسم مورد آزمایش)) که در سطح اجسام منتشر می‌شوند، را پایش و ضبط می‌کند. در حالی که امواج اولتراسونیک هدایت شده، همانند اولتراسونیک، امواج الاستیکی هستند که به طور فعال در یک مکان و زمان معین (اغلب توسط یک مبدل اولتراسونیک مناسب) تحریک می‌شوند و پس از انتشار در جسم مورد آزمایش توسط مبدل اولتراسونیک دیگری ثبت می‌شوند.

در دهه 1960، استخراج مجموعه‌ای از پارامترهای سیگنال آکوستیک امیشن از سیگنال‌های ولتاژ آنالوگ که توسط سنسورهای آکوستیک امیشن تولید می‌شد به یک رویکرد تجزیه و تحلیل استاندارد تبدیل گردید. طی سه دهه گذشته، فناوری دیجیتال نقش مهمی در توسعه بیشتر ثبت و تجزیه و تحلیل داده‌های آکوستیک امیشن و امواج اولتراسونیک هدایت‌شونده ایفا کرده‌است. اولین قدم، در اوایل دهه 1990، طراحی تجهیزات الکترونیکی دیجیتال برای جمع آوری داده‌ها بود. این امر ابزار مناسبی برای ثبت سیگنال های گذرای آکوستیک امیشن با نرخ نمونه برداری در محدوده مگاهرتز (اکنون تا 40 مگاهرتز) و وضوح فزاینده ای از سیگنال (از 12 بیت اولیه تا 18 بیت) فراهم می کند.

وضوح بالای امواج گذرای آکوستیکی همچنین شناسایی حالت‌های موج مختلف را در به اصطلاح “سیگنال AE” امکان پذیر کرد. توسعه فناوری دیجیتال نیز همچنان به افزایش توان محاسباتی ادامه می‌دهد. به عنوان گام بعدی، در دهه گذشته، توسعه فناوری دیجیتال امکان استفاده از رویکردهای پیچیده را برای تشخیص و شناسایی مکانیسم‌های منبع سیگنال‌های آکوستیک امیشن فراهم کرد.

یک رویکرد موفق ترکیبی از تشخیص الگوی بدون نظارت یا نظارت‌شده برای طبقه‌بندی سیگنال با شبیه‌سازی منابع انتشار سیگنال در جسم آزمایشی، همچنین شامل اثرات تابع انتقال زنجیره اندازه‌گیری است. رویکرد دیگر ترکیبی از تصویربرداری با NDT تکمیلی، مانند میکروتوموگرافی اشعه ایکس، با طبقه‌بندی سیگنال آکوستیک امیشن از تشخیص الگو برای شناسایی مکانیسم‌های منبع است. این ترکیب همبستگی های کمی بین اندازه نقص یا آسیب و بزرگی سیگنال آکوستیک امیشن را به همراه داشت.

در حال حاضر، گام بعدی در دیجیتالی کردن تست آکوستیک امیشن و امواج اولتراسونیک هدایت‌ شده مربوط به صنعت نسل 4 است که همچنان از یک سو با افزایش قدرت محاسباتی و از سویی دیگر با پیشرفت‌های نرم‌افزاری بزرگ پیش می‌رود. مورد دوم، شامل استفاده از الگوریتم‌های هوش مصنوعی (AI) مانند یادگیری ماشینی یا یادگیری عمیق، شبکه‌های عصبی مختلف، ماشین بردار پشتیبانی، جنگل تصادفی و غیره است.

افزایش قدرت محاسباتی امکان مدیریت آنلاین داده‌های “بزرگ” را فراهم می‌کند. این امر، پایش وضعیت مستمر سلامت سازه‌های مهندسی عمران در مقیاس بزرگ، همچون، پل‌ها و ساختمان‌های بلند، یا زیرساخت‌های تامین همچون خطوط لوله، و همچنین پایش وضعیت تأسیسات تولیدی پیچیده مثل، نیروگاه‌ها یا کارخانه‌های تولید مواد شیمیایی را ممکن می‌سازد. همچنین ابزارهای دیجیتال امکان ترکیب داده‌ها از انواع مختلف سیستم‌های پایش وضعیت را فراهم می‌کنند و داده‌ها را تقریباً در زمان واقعی (آنلاین) ارائه می‌دهند. بیشتر کاربردهای آکوستیک امیشن یا امواج اولتراسونیک هدایت شونده که تاکنون توسعه‌یافته و استاندارد شده‌اند، به تست پروف یا بازرسی دوره‌ای سازه‌ها می‌پردازند که نیازمند نصب سنسور بر روی سازه تحت تست برای مدت زمانی بین یک تا چند ساعت است. به عنوان مثال، برای مخازن LPG کوچک یا برای مخازن بزرگ یا مخازن ذخیره سازی که حداکثر طی چند روز بازرسی می‌شوند.

اما پایش وضعیت مداوم یا طولانی مدت سازه‌ها و نظارت بر فرآیند یا کنترل آن در خطوط تولید، مشکلات چالش برانگیزی را برای اتصال و نصب سنسورها ایجاد می‌کند. همین امر در مورد عمر خود سنسورها در بلندمدت و همچنین در مورد سیستم‌های انتقال سیگنال و جمع‌آوری داده‌ها، در صورتی که در معرض محیط‌های عملیاتی نسبتاً شدید قرار گیرند، صدق می‌کند.

از اینرو، اجرای موفقیت‌آمیز و استفاده از آکوستیک امیشن و امواج اولتراسونیک هدایت‌شونده برای پایش وضعیت طولانی مدت سلامت سازه و نظارت بر فرآیند یا کنترل آن، نه تنها به راه‌حل‌های مربوطه برای اتصال و نصب سنسورها نیاز دارد، بلکه به نظارت مناسب بر عملکرد طولانی مدت کل زنجیره اندازه‌گیری ( سنسورها، انتقال سیگنال، جمع‌آوری و تجزیه و تحلیل داده‌ها)  و همچنین ذخیره‌سازی طولانی‌مدت امن داده‌ها نیز نیاز دارد.

سخن آخر

ارائه‌دهندگان خدمات پایش وضعیت بلندمدت سلامت سازه در زمینه‌های مشابه احتمالاً تجربه‌های مفیدی در این حوزه به دست آورده‌اند. اما متاسفانه در حال حاضر اطلاعات چندانی در دسترس عموم قرار ندارد. بنابراین، هنوز نیاز به درک رفتار بلندمدت و دوام کلیه اجزای سیستم‌های اندازه‌گیری آکوستیک امیشن و امواج اولتراسونیک هدایت‌شونده و درنظر گرفتن آن در طراحی سیستم پایش سلامت سازه یا پایش وضعیت وجود دارد. درهرصورت، پایش سلامت سازه و پایش وضعیت بلندمدت نیازمند نظارت مناسب بر عملکرد تجهیزات و همچنین استراتژی‌های تعمیر و نگهداری و تعمیرات تعریف‌شده قبل از طراحی و پیاده‌سازی سیستم دارند.

 

 

دانلود مقاله امواج اولتراسونیک هدایت شده و آکوستیک امیشن

print