СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ТЕРМОТОМОГРАФИИ
AUTOMATED ULTRASONIC THERMAL TOMOGRAPHY SYSTEM

Область техники
Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для оценки надежности сложных пространственных конструкций из полимерных композиционных материалов (ПКМ), на основе результатов теплового контроля при нагружении изделий механическими колебаниями.
Изобретение может быть использовано для контроля надежности сложных пространственных конструкций из ПКМ как в процессе производства, так и в процессе эксплуатации: пространственных сетчатых конструкций: отсеков космических аппаратов, ракетных двигателей, трубопроводов, герметичных сосудов и т.п. Особенно эффективно применение изобретения при испытании потенциально опасных и дорогих в изготовлении конструкций, к которым с одной стороны предъявляются высокие требования по надежности эксплуатации, а с другой стороны они являются дорогими и трудоемкими в изготовлении для того, чтобы большое количество конструкций можно было испытать методами разрушающего контроля, т.е. разрушить. При этом требуется определить потенциально опасные места (узлы конструкции), которые в первую очередь могут разрушиться (вследствие наличия дефектов, пониженной прочности или других причин) при нагрузках, что может привести к авариям и которые возможно необходимо укреплять.
Изобретение эффективно использовать для конструкций, которые затруднительно нагружать тепловым потоком по площади (нагревать площадными нагревателями) для осуществления теплового контроля, но в которых необходимо оценивать место расположения дефектов в материале конструкции, т.е. осуществлять томографию.
Уровень техники
Перспективным направлением в современной технике является использование полимерных композиционных материалов, обладающих рядом преимуществ перед традиционными материалами - металлами, особенно в авиакосмических отраслях техники, машиностроении, энергетике и др. Такие материалы требуют особого подхода, новых решений при разработке и создании методов и средств оценки надежности эксплуатации. Это вызвано большим разнообразием видов таких материалов, специфическими особенностями конструкций из них и технологией изготовления, и случайным изменением физико-механических и прочностных характеристик, большим разнообразием типов дефектов, возникающих в процессе изготовления.
Кроме того, эти материалы в большинстве отраслей промышленности работают в условиях статических и динамических нагрузок, изделия из таких материалов имеют сложную пространственную конструкцию, которая затрудняет использование традиционных технологий контроля.
Повысить качество конструкций невозможно без достоверной оценки критериев их качества. Соответственно невозможна разработка мероприятий и технологий по повышению качества конструкций. Одним из признаков качества конструкций является наличие дефектов типа нарушения сплошности (расслоения, трещины, пористость и т.п.), которые, как правило, образуются в местах пониженной прочности, либо в материале, имеющем тенденцию к нарушению сплошности.
Учитывая, что такие конструкции, как правило, являются дорогими, как в стоимостном выражении, так и по трудоемкости изготовления, необходимо с одной стороны каждую конструкцию подвергать испытанию на предмет соответствия ее прочностных характеристик требуемым, а с другой стороны, эти испытания должны минимально «травмировать» конструкцию при максимальной информативности результатов испытаний.
Износ основных фондов и технического оборудования, снижение качества материала и другие подобные причины приводит к снижению надежности эксплуатации конструкций из ПКМ.
Например, усталость ПКМ, особенности технологии их изготовления приводят к образованию внутренних дефектов типа нарушения сплошности, возникновению остаточных внутренних напряжений, которые вызывают нарушение сплошности и, в конечном итоге, приводят к разрушению материала и конструкции. Это явление широко описано в литературе. В последнее время принят ряд программ, направленных на исправление ситуации: модернизация производств, повышение качества материалов и др. Однако полное решение данных задач в настоящее время затруднено по финансовым причинам.
В этой связи большое значение приобретают неразрушающие методы контроля и диагностики таких конструкций, обеспечивающие не только обнаружение внутренних дефектов, но и определение их характеристик, глубину залегания в материале, т.е. осуществление томографии таких конструкций. Они позволяют объективно определять фактическое состояние конструкции, оценивать надежность эксплуатации, и давать рекомендации по ее ремонту или восстановлению.
Известен способ определения дефектов и остаточных напряжений в пластинах (авт. свид. СССР №1543259), согласно которому объект контроля освещают когерентным светом, записывают голограмму поверхности, удаляют часть материала, создают локальную зону деформаций путем точечной нагрузки в зоне перемещений, вызванных удалением материала, записывают голограмму поверхности вторично. Величину дефектов и знак остаточных напряжений определяют по числу интерференционных полос и их искажению. Этот способ достаточно трудоемкий, требует высокой квалификации, финансовоемкий, применим исключительно для плоских деталей, сопряжен с разрушением материала и используется для научных исследований в лабораториях.
Известен способ определения дефектов и остаточных напряжений по патенту РФ №2032162, согласно которому в испытуемый материал статически вдавливают пирамидальный индентор до образования отпечатка с развивающимися хрупкими трещинами, измеряют усилие и параметры трещины, оценивают топологию трещин, определяют равновесное и эффективное значения вязкости разрушения, а величину потенциально возможных дефектов и остаточных напряжений рассчитывают по известным соотношениям с учетом линейных размеров действительного зерна в покрытии.
Способ сложен в осуществлении и применим только в лабораторных целях.
Известен также способ неразрушающего контроля физико-механических свойств полимерного материала или конструкции из полимерного материала, раскрытый в патенте BY 10472. Он основан на силовом воздействии и анализе реакции материала. Недостаток данного способа аналогичен недостаткам способа по предыдущему патенту.
Известны также способ и система теплового контроля остаточных напряжений и дефектов конструкций (патент РФ №2383009). Известное техническое решение позволяет осуществить тепловой контроль надежности конструкций. Способ включает силовое воздействие на контролируемое изделий и регистрацию температурного поля, по анализу которого судят о состоянии изделия. Система включает устройство регистрации термограммы, блок визуализации и устройство обработки.
Способ не позволяет определять характеристики дефектов в материале.
При регистрации температурного поля в поле зрения регистрирующей термографической (тепловизионной) системы попадают температурные поля, принадлежащие как контролируемому изделию, так и посторонним предметам. Если контролируемое изделие «занимает» все поле обзора регистрирующей системы, это обстоятельство не является критичным. Когда контролируемое изделие представляет собой сложную пространственную конструкцию (например, сетчатую), регистрируемое температурное поле будет принадлежать как изделию (сетке), так и области, расположенной между элементами сетки. Кроме того, пространственный площадный нагрев таких изделий затруднен, т.к. в область нагрева попадают посторонние предметы. Это значительно затрудняет, а в ряде случаев делает невозможным достоверную интерпретацию результатов, в т.ч. обнаружение и распознавание дефектов.
Известен способ и реализующее его устройство, описанные в работе: Нестерук Д.А., Хорев B.C., Коробов К.Н. Инфракрасно-ультразвуковой контроль воды в сотовых панелях самолета. Контроль и Диагностика, 2011. №11. С. 13-16.
Способ включает возбуждение механических колебаний контролируемого объекта и выявление внутренних дефектов на основе регистрации температурных полей поверхности изделия, которые возникают за счет перехода энергии механических колебаний во внутреннюю энергию изделия в областях нарушения сплошности. Имеется потенциальная возможность определения глубины залегания внутренних дефектов путем сравнения теоретической градуировочной кривой зависимости глубины залегания дефектов от величины температуры на поверхности изделия. Известное устройство включает систему ввода в контролируемое изделие ультразвуковые колебания, термографическую систему и компьютер с программным обеспечением.
Известный способ и реализующее его устройство не позволяют определять глубину расположения дефектов в материале конструкции с необходимой для практики точностью.
Поэтому известное решение применимо только для контроля ограниченной номенклатуры изделий.
На сегодняшний день имеется актуальная потребность в создании устройства диагностики технического состояния реальных крупногабаритных сложных пространственных конструкций, который может применяться на практике для широкого круга объектов с использованием простого и точного оборудования. Такие конструкции возможно контролировать только с использованием автоматизированных систем - систем, осуществляющих автоматическое перемещение аппаратуры контроля по поверхности контролируемого изделия для обеспечения требуемой производительности контроля, повышения достоверности контроля - исключение влияния на результаты контроля субъективных факторов, возможности применения математических методов повышения достоверности контроля, возможности определения глубины залегания внутренних дефектов относительно поверхности изделия. Поэтому актуальна задача создания устройства контроля, обеспечивающего обнаружение дефектов, определение их глубину залегания и осуществлять эти операции в автоматическом режиме.
Принципиально подход к решению задач определения и локализации дефектов, определения их характеристик и областей концентрации внутренних напряжений и вызванных ими дефектов типа нарушений сплошности (например, трещин) стал возможен с развитием средств диагностики, основанных на регистрации и анализе динамических температурных полей поверхности контролируемой конструкции. Наиболее значимые результаты появились в последнее десятилетие.
Это связано с появлением современной портативной тепловизионной техники, например, см. О.Н. Будадин и др., Тепловой неразрушающий контроль изделий, М., Наука, 2002, стр. 338-393, во-вторых, с созданием современного математического аппарата (там же, стр. 39-89), позволяющего решать прямые и обратные задачи нестационарной теплопередачи, что дало возможность перехода от дефектоскопии (обнаружения дефектов) к томографии (распознавания внутренних дефектов, определения их характеристик и оценки остаточного ресурса изделий).
Имелись неоднократные попытки решить проблему обнаружения и определения глубины залегания дефектов в ПКМ с помощью дефектоскопии различными методами - ультразвуковым, радиоволновым и т.п. Однако это не приводило к желаемым результатам:
1. Как правило, методы дефектоскопии позволяют обнаруживать макродефекты, в то время как снижение прочности может быть обусловлено, как правило, в основном, микродефектами (микротрещины, микропоры, «слипнутые дефекты» - дефекты, не имеющие адгезии между поверхностями и т.п.).
2. Микродефекты, которые обуславливают снижение надежности, в основном образуются в процессе нагружения контролируемой конструкции какими-либо нагрузками (силовыми статическими или динамическими - ударными, внутренним давлением для баллонов и др.), а методы дефектоскопии, в основном, не позволяют проводить неразрушающий контроль в процессе нагружения конструкций. Кроме того, это опасно с точки зрения техники безопасности, т.к. для проведения дефектоскопии конструкций около нее должен находиться оператор-дефектоскопист.
3. При контроле сложных пространственных структур, либо объектов, которые занимали не все поле обзора регистрирующей системы, наряду с информативными температурными полями регистрировались температурные помехи, которые попадали в область теплового нагружения и которые значительно снижали достоверность результатов контроля.
4. Методы не позволяли определять характеристики обнаруженных внутренних дефектов - их месторасположение в материале изделия - глубину залегания. Это обусловлено большим разбросом физико-механических и теплофизических характеристик ПКМ, сложной конструкцией и пространственной формой изделий.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является устройство, описанное в патенте №2686498 от 29.04.2019 г. (Решение от 25.03.2019 г. о выдаче патента на изобретение по заявке №2018129528(047658) от 13.08.2018 г.) авторов Будадин О.Н.. Кульков А.А., Козельская C.O., Каледин Вал. О., Вячкин Е.С. «Способ ультразвуковой термотомографии и устройство для его осуществления»
Известное устройство включает термографическую аппаратуру, генератор механических колебаний, устройство ввода механических колебаний, первое пороговое устройство, регистратор результатов. Устройство ввода механических колебаний механически связано с контролируемым изделием и подключено к генератору колебаний, а выход термографической аппаратуры подключен к пороговому устройству. Стрройство также включает второе пороговое устройство, первый - третий сумматоры, первый и второй регистраторы максимального значения, первый и второй регистраторы времени максимального значения, делитель, умножитель, блок памяти, первое и второе зеркала. Второй выход термографической аппаратуры подключен к входу второго порогового устройства, первый выход первого порогового устройства подключен к первому входу первого сумматора, второй выход первого порогового устройства подключен к второму входу первого сумматора, первый выход второго порогового устройства подключен к первому входу второго сумматора, второй выход второго порогового устройства подключен к второму входу второго сумматора, выход первого сумматора подключен к входу первого регистратора максимального значения, выход второго сумматора подключен к входу второго регистратора максимального значения, выход первого регистратора максимального значения подключен к входу первого регистратора максимального значения времени, выход второго регистратора максимального значения подключен к входу первого регистратора максимального значения времени, выход первого регистратора максимального значения времени подключен одновременно к первому входу третьего сумматора и первому входу делителя, выход второго регистратора максимального значения времени подключен к второму входу третьего сумматора, выход третьего сумматора подключен к второму входу делителя, выход делителя подключен к первому входу умножителя, выход блока памяти подключен к второму входу умножителя, выход умножителя подключен к входу регистратора результатов, а первое и второе зеркала установлены таким образом, чтобы в поле зрения термографической аппаратуры находились одновременно видеоизображения температурных полей двух поверхностей контролируемого изделия.
Известное решение не обеспечивает автоматическое и непрерывное определение участков пониженной прочности, дефектных участков (участков, не соответствующих нормативным документам), разработке рекомендаций для устранения дефектов или восстановления конструкции.
Сущность изобретения
Изобретение направлено на решение задачи устранения недостатков средств контроля из уровня техники. Изобретение обеспечивает повышение точности, информативности, достоверности, производительности и расширение области использования контроля технического состояния сложных конструкций и их элементов, в т.ч. из ПКМ, в процессе производства и в реальных условиях эксплуатации, в т.ч. в условиях нагрузки, определении участков пониженной прочности, дефектных участков (участков, не соответствующих нормативным документам), разработке рекомендаций для устранения дефектов или восстановления конструкции.
Т.е. в конечном итоге изобретение направлено на повышение безопасности эксплуатации сложных потенциально опасных конструкций, находящихся под непрерывными или циклическими нагрузками (механическими, внутренним давлением и др.).
Технический результат заключается в обеспечении определения глубины залегания внутренних дефектов в непрерывном процессе автоматизированного контроля с необходимой для практики точностью, повышении достоверности обнаружения локальных участков пониженной прочности, повышении достоверности результатов оценки технического, эксплуатационного состояния и расширения области использования сложных конструкций и их элементов из ПКМ.
Технический результат достигается за счет того, что в известном устройстве исключены зеркала и в него дополнительно введены второе термографическое устройство (22), устройство перемещения изделия (20), синхронизатор работы устройства (19), первый блок сравнения (23), второй блок сравнения (24), при этом выход первого сумматора (9) подключен к первому входу первого блока сравнения (23), первый выход первого блока сравнения (23) подключен к входу первого регистратора максимального значения (11), выход второго сумматора (10) подключен к первому входу второго блока сравнения (24), первый выход второго блока сравнения (24) подключен к входу второго регистратора максимального значения (12), второй выход блока памяти (18) одновременно к вторым входам первого блока сравнения (23) и второго блока сравнения (24), второй выход первого блока сравнения (23) подключен к первому входу синхронизатора работы устройства (19), выход второго блока сравнения (24) подключен к второму входу синхронизатора работы устройства (19), первый выход синхронизатора работы устройства (19) подключен к входу генератора механических колебаний (4), второй выход синхронизатора работы устройства (19) подключен одновременно к входам первой термографической аппаратуры (5) и второй термографической аппаратуры (22), третий выход синхронизатора работы устройства (19) подключен к входу устройства перемещения изделия (20), устройство перемещения изделия (20) механически связано с контролируемым изделием (1) с возможностью перемещения изделия (1), выход второй термографической аппаратуры (20) подключен к входу второго порогового устройства (8).
Технический результат усиливается за счет того, что регистрацию температурного поля одновременно на двух поверхностях контролируемого изделия осуществляют в одни и те же моменты времени за счет использования синхронизатора работы устройства (19). Регистрацию температурного поля одновременно на двух поверхностях контролируемого изделия осуществляют путем установки двух идентичных термографических аппаратов, синхронизированных между собой синхронизатором работы устройства (19), при этом термографические аппараты располагаются с противоположных сторон поверхности контролируемого изделия.
Термографическую аппаратуру устанавливают таким образом, чтобы поле обзора оптических систем в пространстве предмета (на противоположных поверхностях контролируемого изделия) совпадали по координатам и в поле зрения регистрирующей термографической аппаратуры находились одновременно видеоизображения температурных полей на двух противоположных поверхностях контролируемого изделия.
Краткое описание фигур чертежей
Сущность изобретения и возможность достижения технического результата будут более понятны из последующего описания со ссылками на позиции чертежей, где на:
фиг. 1 приведена структурная схема устройства,
фиг. 2 приведена фотография системы сканирования с крупногабаритным контролируемым изделием,
фиг. 3 приведена фотография синхронизатора работы устройства,
фиг. 4 приведены, в качестве примера, термограммы некоторых дефектов изделия:
а - термограмма расслоения на торце изделия,
б - термограмма участка с искусственными дефектами,
в - термограмма трещины на торце изделия.
эмax1
эмах2
фиг. 5 приведена типовая зависимость ΔT(t,x,y) и ΔT(t,x,y) от времени,
фиг. 6 - дефекторамма результатов контроля,
фиг. 7 - приведена типовая экспериментальная зависимость времени достижения максимального изменения температуры на дефекте от глубины залегания дефекта,
фиг. 8 - схема распространения тепла в изделии в области дефекта
фиг. 9 - временная диаграмма работы синхронизатора работы устройства,
фиг. 10 - фотография образца с дефектом типа расслоение на торце,
фиг. 11 - фотография образца с внутренними эталонными расслоениями.
На приведенных фигурах приняты следующие обозначения:
1 - контролируемое изделие,
2 - дефект внутри изделия,
3 - устройство ввода механических колебаний,
4 - генератор механических колебаний,
5 - первая термографическая аппаратура,
6 - первое пороговое устройство,
7 - регистратор результатов,
8 - второе пороговое устройство,
9 - первый сумматор,
10 - второй сумматор,
11 - первый регистратор максимального значения,
12 - второй регистратор максимального значения,
13 - первый регистратор максимального значения времени,
14 - второй регистратор максимального значения времени,
15 - третий сумматор,
16 - делитель,
17 - умножитель,
18 - блок памяти,
19 - синхронизатор работы устройства,
20 - устройство перемещения изделия,
21 - поле зрения термографической аппаратуры,
22 - вторая термографическая аппаратура,
23 - первый блок сравнения,
24 - второй блок сравнения,
25 - контролируемый участок поверхности изделия (поле обзора оптической системы термографической аппаратуры в плоскости предмета),
26 - область распространения теплового фронта,
Н - толщина изделия,
h - глубина залегания дефекта в изделии,
opt
t - времени достижения максимального изменения температуры на дефекте,
ε - уровень шумов температурного поля поверхности.
Предпочтительный вариант осуществления изобретения
Все используемые в системе автоматизированной ультразвуковой термографии электронные блоки построены на основе стандартных микропроцессорных схем и микропроцессорных сборок с перепрограммируемыми запоминающими устройствами, а система управления выключением/включением системы нагружения построена на стандартных релейных системах (см. например, Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника: учебн. пособие для вузов. - 3-е изд. перераб. и доп. - СПб.: - БХВ-Петербург, 2010.). В качестве термографической аппаратуры (5) используются тепловизоры фирмы FLIR, FESTO, термографы типа ИРТИС-2000 или аналогичные по техническим характеристикам.
Система автоматизированной ультразвуковой термотомографии включает первую термографическую аппаратуруо (5), генератор механических колебаний (4), устройство ввода механических колебаний (3), первое пороговое устройство (6), регистратор результатов (7). Устройство ввода механических колебаний (3) механически связано с контролируемым изделием (1) и подключено к генератору механических колебаний (4). Устройство ввода механических колебаний представляет собой магнитострикционное устройство, настроенное на частоту возбуждения контролируемого материала, например, 22 кГц.
Выход первой термографической аппаратуры (5) подключен к пороговому устройству (6). Второй выход первой термографической аппаратуры (5) подключен к входу второго порогового устройства (8). Первый выход первого порогового устройства (6) подключен к первому входу первого сумматора (9). Второй выход первого порогового устройства (6) подключен к второму входу первого сумматора (9). Первый выход второго порогового устройства (8) подключен к первому входу второго сумматора (10). Второй выход второго порогового устройства (8) подключен к второму входу второго сумматора (10). Выход первого регистратора максимального значения (11) подключен к входу первого регистратора максимального значения времени (13). Регистраторы максимального значения (11, 12) могут быть выполнены в виде микропроцессорного устройства, запрограммированного на определение максимального значения сигнала из поступающей выборки сигналов, а регистратора максимального значения времени (13)-(14) - представляют микропроцессорные устройства, запрограммированные на определение момента времени появления максимального значения сигнала из поступающей выборки сигналов в блоки (11, 12).
Выход второго регистратора максимального значения (12) подключен к входу первого регистратора максимального значения времени (14). Выход первого регистратора максимального значения времени (13) подключен одновременно к первому входу третьего сумматора (15) и первому входу делителя (16). Выход второго регистратора максимального значения времени (14) подключен к второму входу третьего сумматора (15). Выход третьего сумматора (15) подключен к второму входу делителя (16). Выход делителя (16) подключен к первому входу умножителя (17). Выход блока памяти (18) подключен к второму входу умножителя (17). Выход умножителя (17) подключен к входу регистратора результатов (7). Система также включает вторую термографическую аппаратуру (22), устройство перемещения изделия (20), синхронизатор работы системы (19), первый блок сравнения (23), второй блок сравнения (24). Выход первого сумматора (9) подключен к первому входу первого блока сравнения (23).Первый выход первого блока сравнения (23) подключен к входу первого регистратора максимального значения (11). Выход второго сумматора (10) подключен к первому входу второго блока сравнения (24). Первый выход второго блока сравнения (24) подключен к входу второго регистратора максимального значения (12). Второй выход блока памяти (18) подключен одновременно к вторым входам первого блока сравнения (23) и второго блока сравнения (24). Второй выход первого блока сравнения (23) подключен к первому входу синхронизатора работы системы (19). Синхронизатор работы системы представляет собой микропроцессорное устройство, запрограммированное на управление процессом контроля. Выход второго блока сравнения (24) подключен к второму входу синхронизатора работы системы (19). Первый выход синхронизатора работы системы (19) подключен к входу генератора механических колебаний (4). Второй выход синхронизатора работы системы (19) подключен одновременно к входам первой термографической аппаратуры (5) и второй термографической аппаратуры (22). Третий выход синхронизатора работы системы (19) подключен к входу устройства перемещения изделия (20). Устройство перемещения изделия (20) механически связано с контролируемым изделием (1) с возможностью перемещения изделия (1) и - представляет собой механическое устройство для вращения и перемещения контролируемого изделия относительно термографической аппаратуры 5 и 22 и устройства ввода механических колебаний 3. Выход второй термографической аппаратуры (20) подключен к входу второго порогового устройства (8). Первая и вторая термографическая аппаратура (5) и (22) представляет собой каждая тепловизоры.
Система автоматизированной ультразвуковой термотомографии работает следующим образом.
По сигналу (фиг. 9) синхронизатора работы (фиг. 3) системы 19 (фиг 1) генератор 4 начинает функционировать и через устройство ввода механических колебаний 3 вводит механические колебания частотой ƒ в изделие 1, содержащее залегающий на глубине внутренний дефект 2.
э1
э2
э1
э2
В результате этого, в области дефекта возникают напряжения материала, которые преобразуются во внутренние источники тепловой энергии в области расположения дефекта 2. Тепловая энергия по законам теплопередачи распространяется по материалу контролируемого изделия 1. В результате этого, на двух поверхностях изделия 1 образуются температурные поля T(t,x,y) и T(t,x,y). Здесь T(t,x,y) - изменение температурного поля от времени на первой поверхности, T(t,x,y) - изменение температурного поля от времени на второй поверхности.
Инфракрасное излучение, соответствующее данным температурным полям регистрируется первой и второй термографической аппаратурой (5) и (22), расположенной на противоположных сторонах поверхности контролируемого изделия таким образом, чтобы поля обзора (21) наблюдали один и тот же участок поверхности контролируемого изделия (1). Одновременно с подачей от синхронизатора работы системы (19) сигнала (фиг. 9) на генератор механических колебаний 4 с синхронизатора работы системы (19) поступают сигналы на термографическую аппаратуру 5 и 22 (см. фиг. 1). По этим сигналам термографические аппараты 5, 22 начинают работать и регистрируют покадрово во времени t температурные поля с двух поверхностей контролируемого изделия 1, соответственно.
Цифровые видеоизображения с двух комплектов термографической аппаратуры 5 и 22, соответствующие данным температурным полям с двух противоположных поверхностей контролируемого изделия 1 поступает, соответственно, на входы первого и второго пороговых устройств 6 и 8.
э1
э2
э1д
э1к
э2д
э2к
э1д
э1к
Данные пороговые устройства разделяют температурные поля T(t,x,y) и T(t,x,y) на «дефектные» и «качественные» области: соответственно, T(t,x,y), T(t,x,y) и T(t,x,y), T(t,x,y), путем сравнения T(t,x,y) и T(t,x,y) с пороговым уровнем, который соответствует признаку наличия дефекта в области зарегистрированного температурного поля.
э1д
э1к
Значения T(t,x,y), T(t,x,y) с соответствующих двух выходов первого порогового устройства 6 поступают на входы первого сумматора (9).
э2д
э2к
Значения T(t,x,y), T(t,x,y) с соответствующих двух выходов второго порогового устройства 8 поступают на входы второго сумматора 10.
э1д
э1к
В первом сумматоре 9 осуществляется измерение абсолютной величины разности сигналов T(t,x,y), T(t,x,y):
э1
э1д
э1к
ΔT(t,x,y)=|T(t,x,y)-T(t,x,y)|.
э2д
э2к
Соответственно во втором сумматоре 10 осуществляется измерение абсолютной величины разности сигналов T(t,x,y), T(t,x,y):
э2
э2д
э2к
ΔT(t,x,y)=|T(t,x,y)-T(t,x,y)|.
э1
э2
Сигналы ΔT(t,x,y) и ΔT(t,x,y) с выходов сумматоров 9 и 10 поступают на входы первого 23 и второго 24 устройств сравнения.
В данных устройствах осуществляется анализ и подтверждение наличия дефекта в зарегистрированной температурной области следующим образом:
Здесь
1 - признак наличия дефекта,
0 - признак отсутствия дефекта.
ε - величина температурного шума поверхности.
Величина ε поступает в устройства сравнения 23 и 24 с блока памяти 18.
э1
э2
Если в зарегистрированных температурных полях дефекта не обнаружено, т.е. ΔT(t,x,y)<ε и ΔT(t,x,y)<ε, с выхода синхронизатора работы (фиг. 3) устройства 19 поступают сигналы (см. фиг. 9):
- на устройство перемещения изделия 20. По этому сигналу устройство 20 перемещает изделие для контроля следующего участка поверхности (25),
- на термографическую аппаратуру 5 и 22. По эти сигналам термографическая аппаратура начинает обследование следующего участка 25 изделия 1.
э1
э2
Если дефект обнаружен, т.е ΔT(t,x,y)≥ε и ΔT(t,x,y)≥ε, сигналы с первых выходов устройств сравнения 23 и 24 поступаю на входы регистраторов максимального значения сигналов 11 и 12, соответственно.
э1
э2
эмах1
эмах2
В этих устройствах осуществляется выделение из временной совокупности сигналов ΔT(t,x,y) и ΔT(t,x,y) максимальных значений сигналов: ΔT(t,x,y) и ΔT(t,x,y).
Эти сигналы с выходов блоков 11 и 12 поступают, соответственно, на входы блоков: первый регистратор максимального значения времени 13 и второй регистратор максимального значения времени 14.
эмах1
эмах2
эopt1
эopt2
В блоках 13 и 14 осуществляется измерение значений времени, соответствующих сигналам ΔT(t,x,y) и ΔT(t,x,y): t и t и соответствующий пересчет в значения
Сигналы  из блоков 13 и 14 поступают в третий сумматор 15 где осуществляется их сложение:
эopt1
Далее сумма сигналов А из третьего сумматора 15 и сигнал t поступает в делитель 16, где осуществляется деление:
Сигнал В поступает в умножитель 17, на другой вход которого поступает сигнал «H» и блока памяти 18, где осуществляется определение глубины залегания дефекта «h»:
здесь Н - полная толщина контролируемого изделия.
Значение «h» из блока 17 передается на регистратор 7.
После завершения выполнения операций и передачи значения «h» из блока 17 на регистратор 7, с выхода регистратора 7 на вход синхронизатора работы системы 19 поступает управляющий сигнал.
По этому сигналу с выходов 1, 2. 3 синхронизатора 19 поступают сигналы (см. фиг. 9), соответственно, на генератор механических колебаний 4, термографическую аппаратуру 5 и 22 и устройство перемещения изделия 20 и работа системы автоматизированной ультразвуковой термографии повторяется до тех пор, пока не будет обследована вся поверхность контролируемого изделия.
Физический смысл формулы определения глубины залегания поясняется фиг. 5, фиг. 7 и фиг. 8.
Температурное поле, образовавшееся в области дефекта 2, фиг. 8, распространяется по законам теплофизики в материале контролируемого изделия 1 в соответствии с уравнением теплопроводности:
где с - удельная теплоемкость, ρ - плотность, λ - коэффициент теплопроводности, Т - температура, отсчитываемая от температуры среды, t - время от начала нагрева, q - удельная мощность источника тепла на единицу объема.
На поверхностях испытываемого образца в форме пластины имеет место граничное условие свободной конвекции:
где h - коэффициент конвективной теплоотдачи в воздух, знак «плюс» выбирается на нижней поверхности пластины  «минус» - на верхней поверхности  где Н - толщина пластины.
Начальная температура во всех внутренних и граничных точках равна температуре среды:
T(0,x,y,z)=0.
us
Зависимости температуры от времени в точках поверхностей пластины, ближайших к источнику тепла:  в течение времени нагрева t и после выключения источника ультразвуковых волн, найдены расчетно-экспериментальным путем и приведены на фиг. 5. Зависимость времени достижения максимума температуры от глубины залегания дефекта приведена на фиг. 7, она практически точно описывается параболой второй степени:
где V - коэффициент пропорциональности.
Таким образом, время от прекращения ультразвукового воздействия до достижения максимума температуры пропорционально квадрату расстояния от точки до дефекта. При другой форме тарировочной кривой возможно применение другой аппроксимации, что не снижает общности рассуждения.
Обозначим коэффициент аппроксимации кривой через V. Тогда время достижения максимума температуры в точке поверхности на расстоянии h будет равно:
эopt1
эopt1
2
2
t=h/V, откуда V=h/t
Соответственно можно написать
2
эopt2
V=(H-h)/t
Приравнивая правые части уравнений, получаем
2
2
эopt1
эopt2
h/t=(H-h)/t.
Решая данное уравнение, получаем:
Наличие двух термографических аппаратов 5, 22 и синхронизатора 19 обусловлено необходимостью регистрации температурных полей с двух поверхностей контролируемого изделия 1 в одни и те же моменты времени для того, чтобы исключить ошибку, вызванную изменением регистрируемого температурного поля на поверхностях во времени. Это особенно актуально для материалов с большой теплопроводностью.
Таким образом, осуществляется способ обнаружения дефектов типа нарушения сплошности и определения глубины залегания дефектов автоматизированной ультразвуковой термотомографии.
Экспериментальные исследования возможности предлагаемой системы автоматизированной ультразвуковой термотомографии проводились на установке, функциональная схема которой приведена на фиг. 1, а фотография установки приведена на фиг. 2.
Исследования проводились следующим образом.
На крупногабаритное изделие (1) фиг. 2 накладывались образцы с искусственными дефектами. Далее осуществлялось перемещение изделия в соответствии с описанием заявляемой системы и осуществлялась его ультразвуковая термотомография. Всего было подготовлено три различных образца с различными дефектами.
Изготовлен образец с расслоением на торце фиг. 10.
Изготовлен образец с внутренними дефектами типа расслоение - фиг. 11.
По результатам предварительного неразрушающего контроля выбран образец с внутренней трещиной.
Предварительно измерена глубина залегания дефектов.
Образцы с дефектами устанавливались на крупногабаритное изделие и осуществлялась автоматизированная ультразвуковая термотомография изделия с образцами в соответствии с описанием предлагаемой системы.
Температурное поле регистрировалось двумя комплектами термографической аппаратуры ИРТИС-2000 с двух поверхностей одновременно и обрабатывалось в соответствии с описанием.
На фиг. 4, в качестве примера, приведены типовые термограммы с наружной термографической аппаратуры.
Расчет погрешности определения глубины залегания показал, что погрешность не превышает 11%, что с учетом шумов и помех поверхности в условиях автоматизированного процесса контроля, где затруднительно использовать методы повышения отношения сигнал/шум, вполне удовлетворяет требованиям практического контроля.
По результатам контроля формировалась дефектограмма (фиг. 6) с указанием координат дефектов, площади и глубины залегания дефектов.
Представленная система имеет следующие преимущества:
- обеспечивает автоматизированный процесс термотомографии, что позволяет повысить, соответственно, производительность контроля, объективность результатов контроля и т.п.
- обеспечивают точность определения глубины залегания дефектов типа нарушения сплошности в ПКМ, приемлемая для практического использования - не более 11%, что с учетом шумов и помех поверхности в условиях автоматизированного процесса контроля, где затруднительно использовать методы повышения отношения сигнал/шум, вполне удовлетворяет требованиям практического контроля,
- позволяют повысить надежность эксплуатации контролируемых конструкций (особенно работающих на пределе остаточного ресурса),
- позволяют снизить вероятность аварий за счет определения реальных технических характеристик конструкций,
- позволяет обнаруживать «слипнутые» (т.е. соединяющиеся) дефекты и микродефекты, обнаружение которых другими методами затруднительно, и определять их глубину залегания в процессе автоматизированного контроля.