ТЕРМОГРАФИЧЕСКИЙ СПОСОБ КОНТРОЛЯ И КОНТРОЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА
THERMOGRAPHIC METHOD OF CONTROL AND MONITORING DEVICE FOR IMPLEMENTING METHOD

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к термографическому способу контроля для выявления с локальным разрешением и идентификации близких к поверхности дефектов в контролируемом объекте, а также к контрольной установке, предназначенной для осуществления способа.
Уровень техники
В настоящее время заготовки из электропроводящих материалов, например, прокат, стержни, штанги, трубы или проволока из металлических материалов могут служить исходными материалами для высококачественных готовых изделий, и к ним часто предъявляются высочайшие требования по качеству. Контроль на дефекты материала, в особенности на близкие к поверхности дефекты, такие как разрывы, раковины или другие неоднородности материала, составляет важную часть контроля качества этих изделий. При этом, как правило, стремятся проводить контроль сплошным образом, по возможности всей поверхности материала, с высоким локальным разрешением и как можно раньше в производственной цепочке, чтобы на основе результата контроля в зависимости от вида выявленных дефектов принимать решение о том, являются ли дефекты некритическими для дальнейшей обработки или, по меньшей мере, могут быть устранены посредством доводки, такой как шлифование, или же материал должен быть отбракован.
Помимо множества используемых для контроля магнитных методов контроля, таких как техника вихревых потоков или техника магнитных потоков рассеяния, в настоящее время используются также термографические способы для выявления с локальным разрешением и идентификации близких к поверхности дефектов в контролируемых объектах.
В известном термографическом способе контроля электропроводящий контролируемый объект, например, прокат, после вальцов проходит через нагружаемую высокочастотным переменным током индукционную катушку, которая индуцирует электрический поток вблизи поверхности контролируемого объекта. При этом вследствие зависящего от частоты возбуждения скин-эффекта плотность тока вблизи контролируемой поверхности больше, чем в толще контролируемого объекта. Структурные нарушения, такие как разрезы, которые лежат в поперечном сечении индуцированного электрического потока, действуют как электрические сопротивления и отклоняют электрический поток, который ищет в контролируемом материале путь наименьшего (электрического) сопротивления. Следствием являются более высокая плотность потока и, соответственно, более высокие мощности потерь в «узких» местах» электрического потока в области дефектов. Создающаяся в области структурных нарушений мощность потерь проявляется путем выработки тепла, таким образом, что затронутая локально ограниченная область непосредственно в месте структурного нарушения принимает более высокую температуру по сравнению с лишенным нарушений окружением. С помощью тепловизионной камеры или другого подходящего регистрирующего устройства, чувствительного к тепловому излучению, теперь на основе локальных температурных значений в пределах области поверхности, воспринимаемой регистрирующим устройством, может быть выявлено с локальным разрешением наличие близких к поверхности дефектов. Как правило, обеспечивается также визуализация воспринятых областей поверхности, и термографически определенные отклонения могут автоматически оцениваться подсоединенной системой оценки.
В патентном документе DE 102007055210 А1 описаны термографический способ контроля и контрольная установка, предназначенная для осуществления способа. Контрольная установка содержит индукционную катушку для нагрева области поверхности проходящего через нее металлического контролируемого объекта, например, стального проката, а также одну или несколько инфракрасных камер для измерения температуры проходящего стального проката. Результаты измерений используются для управления красильной маркировочной системой, чтобы маркировать выявленные дефекты. Согласно описанию для оценки снятых инфракрасными камерами термографических изображений (тепловых изображений) предусмотрена программа оценки, которая анализирует тепловое изображение или тепловые изображения, идентифицирует превышение определенной пороговой величины температуры и сигнализирует о нем как о дефекте. Величина разности температур над предварительно задаваемой пороговой величиной рассматривается как показатель глубины дефекта. Таким образом, программа оценки может оценивать дефекты как в отношении их длины, так и в отношении величины температурной разницы над пороговой величиной. Программа оценки может исключать из дефектного листа дефекты длиной меньше минимальной длины дефекта, так что они не расцениваются в качестве дефектов. Однако если дефект имеет длину меньше минимальной, но величина разности температур лежит выше пороговой величины больше максимальной величины разности температур, такой дефект считается дефектом. Таким образом, дефект идентифицируется в зависимости от его длины и температурной разности относительно окружения.
Как правило, повышение температурного профиля относительно окружения больше чем на 2 К рассматривается как дефект, однако пороговая температура может быть выбрана также и меньшей. Температурная разница с окружением величиной 5 К или больше однозначно идентифицируется как дефект.
Как правило, на практике на подлежащий оценке температурный профиль накладывается сигнал помех с немаловажной амплитудой. В качестве источников помех могут выступать, помимо прочих, локальные колебания коэффициента излучения поверхности контролируемого объекта, отражения из окружения и общие обстоятельства, неустранимые в реальном процессе контроля, такие как посторонние тела на контролируемой поверхности. Ложные показания могут вызываться также геометрией контролируемого объекта, так как, например, кромки профилей с четырьмя кромками часто показывают повышенную температуру относительно окружения. В типовом случае создающаяся на дефекте типа разрыва температурная разность с окружающей поверхностью лежит в пределах от 1 до 10 К. Наблюдения показывают, что амплитуды помех могут также лежать в пределах этого порядка значений. Поэтому, несмотря на меры, которые могут предприниматься для снижения амплитуды помех, не исключается возможность того, что помехи могут быть ложно классифицированы как структурные изъяны или дефекты.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является создание термографического способа контроля и способной осуществлять термографический способ контроля контрольной установки, которые по сравнению с уровнем техники обеспечивают лучшее подавление помех при оценке термографических сигналов. В частности, должна быть улучшена четкость разделения при различении между реальными дефектами и псевдодефектами, вызванными другими помехами. Предпочтительно задачей изобретения является создание способа сплошного контроля поверхности длинномерных объектов из электропроводящего материала с повышенной надежностью при распознавании и идентификации дефектов.
Для решения этой и других задач в соответствии с изобретением создан термографический способ контроля, обладающий признаками по п.1 формулы изобретения, и предназначенная для осуществления способа термографическая контрольная установка, обладающая признаками по п.10 формулы изобретения. Предпочтительные решения по развитию изобретения изложены в зависимых пунктах. Текст всех пунктов формулы основывается на содержании описания.
В способе контроля подлежащий контролю участок контролируемого объекта подвергают воздействию нагревательного устройства. В дальнейшем это будет кратко называться «нагревом». При этом энергия нагрева подается таким образом, что создается термическое неравновесие между пораженными дефектами дефектными областями или местами с изъянами и бездефектным материалом контролируемого объекта. Бездефектное окружение может, в зависимости от обстоятельств, сохранять свою температуру под воздействием нагревательного устройства, то есть не нагреваться, или оно может нагреваться менее сильно, чем места изъянов.
Для электропроводящих контролируемых объектов, таких как металлический прокат, стержни, проволока и подобные объекты, для нагрева может использоваться, например, индуктивный способ. Ввод тепловой энергии в дефектные области контролируемого объекта может производиться также с помощью ультразвука.
В пределах фазы распространения тепла регистрируют последовательности из двух или большего числа термографических изображений, с временным интервалом относительно друг друга. Фаза распространения тепла начинается, когда тепловой поток от локально нагретой дефектной области становится заметным в окружении. Фаза распространения тепла вторгается в следующую за нагревом фазу остывания и во многих случаях соответствует фазе остывания. Однако часто не существует четких границ между фазой нагрева и фазой остывания. Начало фазы распространения тепла может перекрываться по времени с фазой локального нагрева, поскольку тепловая энергия может распространяться уже во время нагрева.
При этом каждое из термографических изображений представляет местное распределение температуры в зарегистрированной термографическим изображением области поверхности контролируемого объекта в различные моменты времени во время распространения тепла. Когда предусмотренное для регистрации термографических изображений регистрирующее устройство, например, тепловизионная камера, и контролируемый объект неподвижны, зарегистрированные в различные моменты времени области поверхности контролируемого объекта идентичны. При относительном движении между контролируемым объектом и регистрирующим устройством области поверхности могут находиться с пространственным смещением друг от друга.
Из термографических изображений определяют температурные профили в правильном позиционном положении, причем каждый из расположенных в правильном позиционном положении относительно друг друга температурных профилей одной и той же области измерений отнесен к поверхности контролируемого объекта. Понятие «область измерений» здесь относится к одномерно или двухмерно распространенной области, которая имеет фиксированное положение в координатной системе контролируемого объекта. В области измерений лежит множество позиций измерений.
Понятие «температурный профиль» означает профиль с локальным разрешением в котором к различным местам или позициям в пределах температурного профиля привязаны значения измеренных величин, представляющих температуру на соответствующем месте. Температурный профиль можно толковать как функцию позиции, которая описывает зависимость температурного значения от позиции в пределах температурного профиля. Температурный профиль может по типу линейного профиля относиться к более или менее узкой, почти линейной области. Он может быть также быть двухмерным профилем или профилем площади, причем в этом случае распределение температурных значений по позициям описывается температурным профилем в заданной форме и величине участка площади. Привязанные к различным позициям температурного профиля измеренные величины могут быть названы «температурными значениями». При этом, как правило, измеряют не непосредственно температуру, а, например, интенсивность или амплитуду выделяемого из данной позиции теплового излучения, которая может быть пересчитана в локальную температуру позиции профиля с помощью обычных в термографии средств.
Таким путем определяют несколько (по меньшей мере два) температурных профилей, которые представляют локальную диаграмму температуры в пределах одной и той же области измерений в различные моменты времени в ходе остывания. После этого количественно определяют диаграммы изменения во времени температурных значений для множества зарегистрированных с помощью температурных профилей позиций измерений в области измерений, так что для множества позиций измерений в области измерений получают изменение во времени локальных температурных значений. Затем оценивают диаграммы изменения во времени по меньшей мере по одному из критериев оценки, характеризующему тепловой поток в области измерений.
В способе не только анализируют температурные профили в отношении представляемых ими локальных диаграмм изменения температуры, но также их изменение во времени. Получают последовательность или ряд температурных профилей для одной определенной области измерений на поверхности и в пределах определенного временного интервала. Существенный аспект изобретения заключается в привлечении теплового потока, то есть динамики развития температурного профиля во времени и в ее оценке или интерпретации.
Согласно другой формулировке предложено использование варианта термографии теплового потока с локальным разрешением для выявления и идентификации близких к поверхности дефектов в соответствующих контролируемых объектах, в котором регистрируют и оценивают изменение во времени установленного на контролируемой поверхности локального распределения температуры.
По сравнению с решениями уровня техники обеспечивается по существу надежная классификация дефектов, например, как разрывов или структурных нарушений, так как способ позволяет выполнять лучшее разделение между температурными явлениями, вызванными дефектами, и явлениями, не вызванными тепловым потоком. Далее, обеспечивается лучшая возможность оценки термографической информации даже при низких амплитудах сигналов, поскольку решение принимается не только на основе одной амплитуды или интенсивности температурных сигналов в профилях, но также на основе их динамики по оси времени. За счет этого достигается значительно лучшее подавление помех, когда (не вызванная искомыми дефектами) амплитуда помех оказывается выше полезной амплитуды, при этом под полезной амплитудой здесь имеется в виду амплитуда сигналов, вызванных структурными нарушениями.
В частности, способ контроля позволяет регистрировать и количественно оценивать пространственно-временное распространение тепла после резкого, локально ограниченного подвода тепла. Упрощенно говоря, пространственно-временное распространение тепла происходит таким образом, что сконцентрированное в области потенциального дефекта тепло со временем утекает в соседние, более холодные области материала контролируемого объекта. Утечка проявляется в поперечном распределении температуры поверхности таким образом, что в температурном профиле на месте возбуждения амплитуда со временем снижается, и при этом отмечается повышение температуры в непосредственной близости к позиции возбуждения. Из этого следует, что при данных условиях форма температурного профиля изменяется во времени характерным образом. В отличие от этого наиболее частые влияния помех, например, отражений на поверхности, не подвергаются никаким изменениям или подвергаются малым изменениям во времени относительно своих локальных свойств и/или показывают изменения во времени, заметно отличные от типового процесса изменений теплового потока (например, короткие вспышки отражения). При этом на основе своего типового пространственно-временного процесса такие влияния помех могут быть однозначно различены от реальных дефектов. Хотя некоторые влияния помех становятся заметными в температурном профиле с пространственно-временной динамикой, как правило, они заметно отличаются от пространственно-временного распространения тепла, которое имеет место в окружении дефекта внутри бездефектного теплопроводного материала. Поэтому по сравнению с известными способами оценка, которая анализирует пространственно-временные диаграммы температурных профилей с точки зрения законов распространения тепла или диффузии тепла в твердом теле, обеспечивает лучшую четкость разделения и подавление помех.
Соответственно оценка может быть описана таким образом, что при оценке производится сравнение снятых термографических данных с сигнатурой, причем сигнатурой является описание пространственного и временного распространения тепла в твердом теле, которое после локальной концентрации тепла стремится вновь восстановить термическое равновесие.
Предпочтительно на подготовительном шаге оценки температурные профили автоматически анализируются на то, имеется ли в температурном профиле похожие на дефекты отклонения, то есть такие отклонения, которые могут быть вызваны дефектом, однако необязательно должны им вызываться. При идентификации похожих на дефекты отклонений предпочтительно ищут локальный максимум температурных значений в пределах температурного профиля. При этом локальный максимум соответствует позиции в пределах температурного профиля, температура которой однозначно выше температуры в позициях профиля в непосредственной близости к локальному максимуму. Так например, при контроле на разрывы посредством шага идентификации должны быть найдены по существу узкие горячие места в остальном более остывшем окружении. На этом шаге идентификации могут использоваться подходящие подпрограммы фильтрации обработки изображений, например, чтобы отличать локальный максимум на кромках, на которых температура почти пиковым образом или ступенчато повышается или снижается на короткое расстояние от одной до другой стороны окружения. Как правило, для этого используются две или больше подпрограмм фильтрации, работающие по различным критериям, чтобы идентифицировать позицию изображения (пиксель или группу пикселей), которая однозначно привязана к локальному температурному максимуму.
Далее оценка может концентрироваться на тех областях, в которых были найдены температурные максимумы. В варианте способа в качестве критерия оценки оценивается процесс изменения во времени амплитуды температурных значений в области локального максимума температурных значений температурного профиля. Из нее может определяться, например, скорость остывания в области локального максимума и вблизи нее. Было установлено, что скорости остывания в области таких структурных нарушений как разрывы среди остального бездефектного окружения хорошо описываются законами тепловой диффузии и благодаря этому могут использоваться в качестве надежного критерия оценки. Соответственно разрывы и другие дефекты часто могут различаться от не вызванных дефектами нарушений только на основе типичных скоростей остывания.
Альтернативно или дополнительно при оценке может определяться величина концентрации количества тепла в области локального максимума температурных значений в пределах температурного профиля и оцениваться процесс изменения во времени величины концентрации количества тепла. Величина концентрации количества тепла является мерой отношения количеств тепла локального максимума по сравнению с ближним окружением. Если концентрация количества тепла со временем снижается, это означает, что тепло утекает в окружение, как эти типично для окружения разрывов. Если в отличие от этого локальный максимум не вызван структурным нарушением или разрывом, величина концентрации количества тепла часто показывает значительно отличный процесс изменения. При этом, например, по окончании нагрева концентрация тепла может вначале даже увеличиваться. В данном случае это указывает, что локальный максимум не вызван разрывом или подобным изъяном.
Для того чтобы для оценки процесса изменения во времени по расчетным характерным параметрам иметь возможность определять с достаточной точностью соответствующие функции времени, в предпочтительных примерах осуществления оценивают совместно по меньшей мере три снятых друг за другом температурных профиля, чтобы получить подходящее число опорных точек. Как правило, совместно оценивают от четырех до десяти температурных профилей, так что во временном интервале имеется достаточное число опорных точек, и может достигаться надежное различение между дефектами и артефактами (искусственными явлениями).
Альтернативно или дополнительно для определения и оценки характерных параметров из функций времени можно также определять процесс изменения во времени температурных значений в пределах температурного профиля на основе элементов изображения (пикселей) или групп элементов изображения (групп пикселей). В этом случае производят смещение результатов, чтобы получить пространственно-временные сигнатуры. Вообще может использоваться любой вариант обработки сигналов, который позволяет получать множество числовых значений или данных для сравнения свойств сигналов с теоретическими основами распространения тепла в твердых телах. Так например, могут использоваться пространственно-временные линейные профили, последовательности съемки, участки площадей, любые схемы или матрицы пикселей. Существенным является совместное рассмотрение или привлечение пространственных и временных аспектов, без которых невозможно надежное заключение о вероятности дефекта.
Можно использовать способ контроля в контрольных установках, в которых как контролируемый объект, так и регистрирующее устройство для восприятия термографических изображений неподвижны. При этом значительно упрощается привязка температурных профилей в правильном позиционном положении относительно друг друга, поскольку одна и та же область измерений в термографических изображениях, снятых друг за другом с интервалом по времени, соответствует одной и той же области изображения (с теми же координатами изображения).
Однако в предпочтительных примерах применения способ контроля используется для контроля длинномерных контролируемых объектов, таких как стержни, трубы, проволока и подобные объекты. Для контроля длинномерных контролируемых объектов может создаваться относительное движение между контролируемым объектом и регистрирующим устройством для регистрации термографических изображений в направлении движения, параллельном продольному направлению контролируемого объекта. Предпочтительно при этом регистрирующее устройство установлено неподвижно, а длинномерный контролируемый объект перемещается относительно регистрирующего устройства. Относительное движение создается таким образом, что области поверхности, которые регистрируются друг за другом по времени термографическими изображениями, расположены со смещением относительно друг друга на определенный участок пути, параллельный направлению движения. При этом предпочтительно области поверхности снятых по времени непосредственно друг за другом термографических изображений предпочтительно частично перекрываются таким образом, что каждое место контролируемой поверхности регистрируется двумя или большим числом термографических изображений. За счет этого обеспечивается возможность сплошного контроля поверхности движущихся в продольном направлении длинномерных контролируемых объектов. Предпочтительно каждый участок контролируемой поверхности оказывается на трех или большем числе термографических изображений, например, от четырех до двадцати или большем числе термографических изображений, причем вследствие относительного движения участок оказывается на каждом термографическом изображении на другом месте (в другой позиции на изображении).
При контроле движущихся контролируемых объектов правильное позиционное расположение температурных профилей различных термографических изображений предъявляет особые требования. В варианте способа посредством обработки изображений анализируют зарегистрированное в первый момент времени первое термографическое изображение последовательности термографических изображений для идентификации по меньшей мере одного первого выбранного участка изображения, который содержит участок поверхности с похожим на дефект отклонением. Затем во втором участке изображения, соответствующем первому участку изображения, автоматически находят идентичный участок поверхности. Второй участок изображения находится во втором термографическом изображении, снятом во второй пункт времени с временным интервалом относительно первого термографического изображения. Далее совместно оценивают термографические данные первого участка изображения и второго участка изображения для получения их правильного позиционного расположения.
Для автоматического нахождения предпочтительно ожидаемое положение участка поверхности, содержащего похожее на дефект отклонение, определяют во втором термографическом изображении на основе относительной скорости между контролируемым объектом и регистрирующим устройством, направления движения и времени, прошедшего между первым моментом времени и вторым моментом времени, чтобы определить путь, который участок поверхности прошел в направлении движения между первым и вторым моментами времени. За счет этого оценка второго термографического изображения может с самого начала концентрироваться на том участке поверхности, в котором при анализе более раннего по времени первого термографического изображения было найдено похожее на дефект отклонение.
Для нахождения похожего на дефект отклонения предпочтительно локальный максимум температурных значений ищут в пределах по меньшей мере одного линейного или двухмерного температурного профиля в первом термографическом изображении. Для этого могут использоваться подходящие подпрограммы фильтрации обработки изображений.
Изобретение относится также к предназначенной для осуществления способа термографической контрольной установке для выявления с локальным разрешением и идентификации близких к поверхности дефектов в контролируемом объекте.
Термографическая контрольная установка содержит:
нагревательное устройство для нагрева участка контролируемого объекта таким образом, что создается термическое неравновесие между пораженными дефектами дефектными областями и бездефектным материалом объекта;
по меньшей мере одно регистрирующее устройство для регистрации последовательности по меньшей мере из двух термографических изображений, следующих друг за другом с временным интервалом; и
устройство оценки для оценки термографических данных термографических изображений,
причем устройство оценки выполнено с возможностью определения из термографических изображений расположенных в правильном позиционном положении температурных профилей для определения процесса изменения во времени температурных значений из температурных профилей для множества определенных посредством температурных профилей позиций измерений в области измерений, а также для оценки процесса изменения во времени, по меньшей мере, по одному критерию оценки, характеризующему тепловой поток в области измерений.
Предпочтительно регистрирующее устройство представляет собой чувствительную к тепловому излучению плоскую камеру с множеством строк изображения, информацию которых оценивают совместно.
Эти и другие признаки будут ясны как из пунктов формулы изобретения, так и из последующего описания со ссылками на чертежи, причем отдельные признаки могут использоваться по отдельности или в различных комбинациях в примерах осуществления изобретения и в других областях и могут представлять имеющие преимущества и охраноспособные примеры осуществления. Далее со ссылками на прилагаемые чертежи будут подробно описаны примеры осуществления изобретения.
Краткий перечень чертежей
На чертежах:
фиг.1 изображает пример выполнения контрольной установки для термографического контроля длинномерного контролируемого объекта из электропроводящего материала в процессе его прохода;
фиг.2 изображает пример температурного профиля, записанного перпендикулярно направлению движения контролируемого объекта;
фиг.3 изображает: на фиг.3А схематично показан на виде сверху лежащий в области восприятия тепловизионной камеры нагретый участок движущегося контролируемого объекта с представленным в увеличенном виде выбранным участком изображения, содержащим дефект; и на фиг.3В проиллюстрирован способ совместной оценки в правильном позиционном положении температурных профилей, полученных в различные моменты времени на одном и том же участке поверхности;
фиг.4 изображает: на фиг.4А и 4В показано изменение во времени участков температурного профиля в области локального температурного максимума, причем на фиг.4А показаны в правильном позиционном положении участки температурных профилей в области нарушения, которое вызвано не разрывом, а на фиг.4В показаны соответствующие температурные профили в области близкого к поверхности разрыва;
фиг.5 изображает: на фиг.5А и 5В показаны диаграммы изменения во времени двух тепловых потоков в области характерных параметров, характеризующих локальный температурный максимум, причем на фиг.5А показаны диаграммы изменения во времени характерных параметров для нарушения, которое вызвано не разрывом, а на фиг.5В показаны соответствующие диаграммы изменения во времени для близкого к поверхности разрыва;
фиг.6 изображает: на фиг.6А показан участок температурного профиля с локальным температурным максимумом, вызванным отражением, на фиг.6В показана диаграмма по времени локального изменения температуры в области показанного на фиг.6А локального температурного максимума и на фиг.6С показана диаграмма изменения во времени двух характерных параметров, характеризующих тепловой поток в области локального максимума.
Осуществление изобретения
P
На фиг.1 схематично показан пример выполнения термографической контрольной установки 100 для сплошного поверхностного контроля длинномерных контролируемых объектов из электропроводящего материала в процессе их прохода через установку. В данном примере контролируемым объектом 180 является стальной прокат прямоугольного поперечного сечения, который сходит с не показанного прокатного стана и транспортируется с помощью не показанного транспортирующего устройства, например, рольганга, по существу с постоянной скоростью v прохода в диапазоне примерно от 0,1 до 1,5 м/с в направлении по стрелке 184 параллельно своей продольной оси. После тепловых вальцов стальной прокат имеет не гладкую, а так называемую «черную» поверхность, температура которой в характерном случае составляет от 0° до 50°. Термографический контроль и обработка полученных при этом термографических данных будут далее пояснены на основе контроля макроскопически ровной контролируемой поверхности 185. Соответствующий контроль проводится также для трех других поверхностей контролируемого объекта.
Контрольная установка содержит индуктивное нагревательное устройство 110 для нагрева входящего в область действия нагревательного устройства участка контролируемого объекта таким образом, что создается термическое неравновесие между имеющими дефекты дефектными областями и бездефектным материалом контролируемого объекта. К нагревательному устройству относится индукционная катушка 112, выполненная в виде окружающей проходной катушки для контролируемого объекта, плоскость которой расположена перпендикулярно направлению его движения. Индукционная катушка электрически подсоединена к генератору 115 переменного напряжения, который подсоединен для управления к центральному устройству 130 контрольной установки. При возбуждении индукционной катушки 11 с переменным напряжением в близких к поверхности областях контролируемого объекта индуцируются вихревые токи, которые при проходе через катушку могут нагревать близкие к поверхности области до температур выше окружающей температуры. В бездефектных областях поверхности нагрев обычно относительно равномерен. Однако если в поперечном сечении индуцированного электрического потока имеются структурные нарушения, такие как разрывы, разрезы, раковины или подобные нарушения, они действуют как электрические сопротивления и поворачивают электрический поток. Это приводит к более высокой плотности потока и, соответственно, к более высокой мощности потерь в узких местах потока. Эта мощность потерь на местах структурных нарушений проявляется путем дополнительного генерирования тепла, так что затронутая локально ограниченная дефектная область на месте структурного нарушения имеет более высокую температуру по сравнению с лишенным нарушений окружением. Таким образом, происходит локальный нагрев по сравнению с более низким температурным уровнем более удаленного окружения. Типовая температурная разность между областью разрыва и непосредственно граничащим с ней окружающим материалом часто лежит в пределах величин от 1 К до 10 К. Эти локальные повышения температур и их изменение в пространстве и времени используются в способе контроля для выявления с локальным разрешением дефектов вблизи поверхности и их идентификации.
В данном примере осуществления генератор имеет мощность до 150 кВт, при этом используются частоты переменного напряжения в диапазоне от 10 до 350 кГц. Возможны нагревательные устройства с другими характеристиками. Так например, может использоваться генератор переменного напряжения мощностью до нескольких мегаватт, что может быть целесообразно для контролируемых объектов увеличенных размеров (например, размером больше 800 мм в поперечнике). Частотный диапазон может быть настроен в соответствии с задачей измерений. Так например, могут быть полезными частоты до 1 МГц для нахождения особенно мелких погрешностей вблизи поверхности, поскольку при повышении частоты глубина проникновения вихревого тока снижается, а следовательно, уменьшается и объем измерений. Более высокие частоты имеют преимущество также при контроле электропроводящих сталей с высоким электрическим сопротивлением и магнитной проницаемостью около 1, чтобы добиться быстрого локального нагрева дефектных областей по сравнению с их окружением.
Посредством нагревательного устройства вся система «контролируемый объект/дефект» приводится в термическое неравновесие. С помощью способа контроля можно наблюдать как в пространстве, так и во временной области, каким образом система стремится к состоянию термического равновесия.
Для этого контрольная установка содержит чувствительное к тепловому излучению регистрирующее устройство 120 с локальным разрешением для съемки двухмерных термографических изображений, которые могут сниматься с высокой частотой до 100 изображений в секунду (кадров в секунду). Регистрирующее устройство, в дальнейшем называемое также «тепловизионной камерой», соединено с центральным устройством 130 управления, которое служит для управления съемкой изображений и для приема и обработки термографических данных, содержащихся в термографических изображениях. В устройстве 130 управления интегрирована система обработки изображений на компьютерной основе, выполненная с возможностью оценки по различным критериям термографических данных, полученных из термографических изображений. На основе температурных значений или на основе локального теплоизлучения такая тепловизионная камера может визуализировать наличие и некоторые свойства структурных нарушений, и эти нерегулярности могут автоматически оцениваться с помощью соответствующих средств обработки изображений в приданной системе обработки.
Тепловизионная камера 120 является плоской камерой и имеет прямоугольную область 122 восприятия, которая здесь обозначена как поле 122 изображения и в данном примере осуществления перекрывает всю ширину обращенной к ней поверхности 185 контролируемого объекта и выходит за пределы его боковых кромок. В данном примере тепловизионная камера 120 покрывает поле 122 изображения размером 270×216 мм с разрешением 640×512 пикселей (элементов изображения). При этом элемент изображения (пиксель) соответствует относительно малому прямоугольному участку поверхности с поперечником от 0,5 до 0,8 мм на поверхности 185 контролируемого объекта. Снятое плоской камерой термографическое изображение состоит из множества строк, проходящих по существу перпендикулярно продольному направлению контролируемого объекта (направлению y) и столбиков, проходящих по существу параллельно продольному направлению (то есть в направлении y). Термографические изображения оцениваются по строкам, чтобы особенно надежно выявлять продольные погрешности. Более узкая линейная измерительная область 124, соответствующая строке тепловизионной камеры, проходит поперечно дефекту 188. Эта измерительная область для наглядности названа также измерительной линией.
1
2
1
3
2
P
В показанный на фиг.1 момент t времени дефект 188 вблизи поверхности в виде продольного разрыва, проходящего более или менее параллельно продольному направлению контролируемого объекта, находится вблизи обращенной к индукционной катушке 112 входной стороны области восприятия. Положения этого же продольного разрыва в последующие моменты t>t и t>tвремени показаны штриховыми линиями, чтобы наглядно показать, что один и тот же дефект или один и тот же участок поверхности в различные моменты времени может находиться в области 122 восприятия тепловизионной камеры. Однако при этом положения изображений смещены относительно друг друга на определенный участок пути в направлении 184 движения в зависимости от скорости v движения и интервала времени между точками съемки термографических изображений с интервалом по времени.
Используемая частота съемки изображений тепловизионной камерой приведена в соответствие со скоростью прохода контролируемого объекта таким образом, что каждый участок контролируемой поверхности 185 оказывается на нескольких термографических изображениях на различных местах, например, по меньшей мере на 5, или по меньшей мере на 10, или по меньшей мере на 15 снятых термографических изображениях, снятых друг за другом с интервалами по времени.
Подсоединенное к устройству управления устройство 140 отображения и операторского управления имеет экран, на котором могут указываться полученные из термографических изображений данные и взаимосвязи. С помощью клавиатуры и/или других средств ввода контрольная установка может удобно настраиваться и обслуживаться оператором для выполнения различных задач контроля.
P
Далее, к устройству 130 управления подсоединено устройство 150 измерения скорости для определения действительной скорости v движения контролируемого объекта. Это устройство, служащее датчиком перемещения, действует, например, бесконтактным методом с помощью лазерного излучения. В других вариантах может быть предусмотрен контактный датчик перемещения, например, с измерительным колесом, катящимся по контролируемой поверхности.
Колебания коэффициента излучения термографически воспринимаемой контролируемой поверхности могут сильно влиять на точность термографического способа контроля. Для того чтобы по возможности удерживать на низком уровне это негативное влияние, выполняется активное выравнивание коэффициента излучения контролируемой поверхности путем того, что перед ее проходом через индукционную катушку она равномерно смачивается жидкостью, например, водой с помощью смачивающего устройства 160. Эта техника показала себя действенной при температуре поверхности до 50°С для того, чтобы в значительной мере устранять ложные показания, вызванные локальными колебаниями коэффициента излучения.
Когда контрольная установка однозначно идентифицирует нерегулярность как дефект, с помощью подсоединенного к устройству управления автоматического маркировочного устройства 170 он может быть маркирован распылением краски или подобным образом, так что обеспечивается возможность последующей обработки дефектной контролируемой поверхности или отсортировки сильно поврежденных участков.
Далее будет описан предпочтительный вариант выполняемого с помощью контрольной установки способа контроля для выявления с локальным разрешением и идентификации близких к поверхности дефектов движущегося контролируемого объекта.
Посредством индукционной катушки 112 индуктивно нагревают поверхностные области контролируемого объекта, при этом в области разрывов и других структурных нарушений создаются температурные максимумы. После прохода соответствующих участков контролируемого объекта через индукционную катушку эти области вновь остывают. Регистрирующее устройство 120 установлено по направлению движения непосредственно за индукционной катушкой и регистрирует области поверхности в этой фазе остывания.
На первом шаге способа идентифицируют термические отклонения в части контролируемой поверхности, вошедшей в область 122 восприятия. Для этого обрабатывают расположенные на входной стороне строки для того, чтобы, например, получить температурный профиль с локальным разрешением (линейный профиль) вдоль измерительной линии 124, перпендикулярной направлению прохода. Пример такого температурного профиля показан на фиг.2. Позиция POS измерений в пределах линейной области измерений, проходящей в направлении x перпендикулярно направлению движения (направлению y), указана на оси абсцисс путем указания номеров соответствующих пикселей (элементов изображения) для строки поля изображения. Ордината представляет амплитуду AMP теплового излучения с привязкой к позиции и в данном примере представлена в виде абсолютной температуры поверхности в градусах Цельсия. На диаграмме видно, что температура поверхности между боковыми кромками (примерно на пикселях номер 90 или 540) лежит в области между 50°С и 60°С и локально колеблется на несколько К. Температурный профиль содержит два отклонения, а именно первый локальный температурный максимум ST примерно на пикселе №150 и второй локальный температурный максимум DEF примерно на пикселе №495. В обоих локальных температурных максимумах температурная разность ΔТ с непосредственным окружением составляет примерно от 6 до 7 К. Обработка, которая будет описана дальше, показывает, что первый локальный температурный максимум ST вызван не разрывом или другим структурным нарушением, в то время как второй локальный температурный максимум DEF вызван действительно близким к поверхности разрывом. Следует заметить, что одно только значение температурной разности ΔТ не является надежным критерием различия между действительным структурным нарушением и другим отклонением, не вызванным структурным нарушением.
Каждое термографическое изображение содержит множество таких температурных профилей с локальным разрешением в направлении x. Появление локальных температурных максимумов автоматически регистрируется программой обработки изображений, причем используются соответствующие подпрограммы фильтрации, чтобы сравнивать температурные значения на пикселях или групп пикселей в пределах температурного профиля с температурными значениями соседних пикселей или групп пикселей и на основе сравнения однозначно идентифицировать локальные температурные максимумы как таковые и отличать их от других артефактов (искусственных явлений), например, от резкого падения температуры на кромке. При фильтрации программа обработки работает по строкам в пределах проходящих поперечно направлению движения полос, каждая из которых содержит множество соседних температурных профилей. На фиг.3 показана такая полоса 125, содержащая дефект 188. При такой обработке повышается вероятность наличия такого дефекта типа разрыва в продольном направлении, когда во множестве соседних температурных профилей в пределах полосы примерно на одинаковом положении по пикселям появляется локальный температурный максимум особенной высоты.
Способ контроля опирается не только на обработку пространственных температурных профилей, то есть таких температурных профилей, которые представляют пространственное распределение температуры, но также и на анализ их изменения во времени. Эта комбинация называется здесь пространственно-временным анализом. Для этого недостаточно анализировать единственный температурный профиль, а в одной и той же измерительной области поверхности производится сопоставление нескольких температурных профилей, снятых с интервалами по времени, чтобы обеспечить возможность анализа пространственно-временной динамики изменения температурного распределения.
В описанном примере осуществления способа контроля используется особый вариант распознавания образов, чтобы идентифицированное в более раннем по времени термографическом изображении отклонение, которое может представлять дефект, снова находить его в правильном позиционном положении в более поздних по времени термографических изображениях и за счет этого обеспечивать возможность, несмотря на движение контролируемого объекта относительно тепловизионной камеры, получать временную последовательность нескольких температурных профилей из одной и той же области измерений. Для этого относящуюся к определенному участку поверхности полосу 125 раннего по времени первого термографического изображения обрабатывают по строкам и анализируют на наличие отклонений, в частности, локальных температурных максимумов. На основе температурных данных отдельных строк вычисляют связную площадь, которая заключает в себе область выдающихся локальных температурных максимумов. На фиг.3 заключающий в себе дефект 188 выбранный прямоугольный участок 128 изображения показан слева в пределах полосы 125 и справа в увеличенном виде. Локальные координаты выбранного участка 128 изображения, то есть его положение в пределах термографического изображения, представляют положение соответствующего содержащего дефект 188 участка поверхности контролируемого объекта на момент времени съемки первого термографического изображения. Содержащаяся в выбранном участке изображения изобразительная информация из пространственно связных пикселей может быть обработана программой обработки изображений в качестве большого блока двоичных данных (BLOB - binary large object) и представляет определенный образ данных, который может быть снова найден в более поздних снятых термографических изображениях.
Теперь на основе представленных в виде структуры данных «образов» области вокруг дефекта 188 в нескольких более поздних термографических изображениях, снятых с интервалами по времени, ищут тот же образ, чтобы найти участки изображений, которые по возможности позиционно точно соответствуют тому же участку поверхности, который был привлечен при анализе первого термографического изображения для расчета искомого образа. Предпочтительно участки изображения, соответствующие определенному участку поверхности, ищут по меньшей мере в 5-10 снятых друг за другом термографических изображениях и затем их изобразительную информацию обрабатывают совместно.
P
Для того чтобы пространственно ограничить область поиска в позднее снятых термографических изображениях и тем самым ускорить обработку, ожидаемое положение содержащего похожее на дефект отклонение в позднее снятых термографических изображениях определяют на основе скорости vдвижения контролируемого объекта, измеренной системой 150 измерения скорости, направления 184 движения и временного интервала между отдельными точками съемки термографических изображений. Из этих данных вычисляют путь, который интересующий участок поверхности прошел между моментом времени, положенным в основу первого анализа, и моментом времени съемки соответствующего более позднего термографического изображения. Было установлено, что при этом интересующий участок поверхности или относящиеся к этому участку данные даже при небольших колебаниях скорости прохода снова находят с точностью в диапазоне точности измерений датчика пути (здесь с точностью примерно ± 1 мм), что в данном примере осуществления соответствует точности позиционирования порядка примерно ± 2 пикселя на контролируемой поверхности. Последнюю корректировку для определения точного позиционного смещения по координатам далее проводят путем вычислений с помощью программы посредством отслеживания, то есть путем распознавания образа, в результате чего достигается эффективная достоверность определения положения примерно ± 1 пиксель или ± 0,5 мм на контролируемой поверхности.
Этот метод учитывает, что на практике условия контроля по большей части не бывают идеальными. Так например, в результате проскальзывания между контролируемым объектом и системой транспортирования, изгиба контролируемого объекта и/или его торможения при загрузке на рольганг и последующего ускорения могут создаваться колебания скорости и другие обстоятельства, вызывающие неточности положения. Возникающие при этом проблемы устраняются путем комбинации измерения скорости, нахождения на этой основе потенциально содержащих дефекты участков поверхности и последующего поиска образов поверхности (отслеживания).
1
2
1
3
2
Далее на каждом из последовательно зарегистрированных по времени участков изображения определяется один или несколько температурных профилей, проходящих через место потенциального дефекта, и они обрабатываются совместно. Когда точки температурных профилей находятся на одном и том же месте в пределах выбранного участка изображения, как это показано на фиг.3В, каждый из расположенных в правильном позиционном положении температурных профилей соответствует одной и той же линейной области измерений поверхности контролируемого объекта, причем эта область измерений проходит над положением потенциального дефекта. Для пояснения на фиг.3В показаны слева три участка 128, 128' и 128” изображений, снятых в различные моменты t, t>t и t>t времени и относящихся к одному и тому же участку поверхности, причем на каждом из участков изображений определен температурный профиль, проходящий над дефектом в направлении x. В правой части чертежа зарегистрированные по времени друг за другом температурные профили представлены совместно, причем абсцисса представляет положение POS (x) в направлении x, а ордината указывает температуру Т. При этом можно на движущемся контролируемом объекте с высокой точностью определять пространственно-временное распространение тепла в области потенциального дефекта.
Каждый из температурных профилей представляет проходящую поперечно дефекту область, в которой дефект находится примерно посередине. Каждый из температурных профилей имеет локальный температурный максимум, высота которого относительно окружения (количественно представленная, например, температурной разностью ΔТ) уменьшается с течением времени. В противоположность этому ширина максимума в пространстве, представленная например, половиной величины ширины, с течением времени возрастает. Эти расположенные в правильном позиционном положении снятые по времени один за другим локальные температурные профили позволяют делать количественные заключения о пространственно-временном распространении тепла в области потенциального дефекта и могут быть обработаны, как это будет описано ниже.
На фиг.4 показаны на фиг.4А и 4В общие представления множества температурных профилей, расположенных в правильном позиционном положении, причем на диаграммах верхние температурные профили сняты по времени раньше, чем температурные профили, находящиеся под ними.
На фиг.4А показаны типовые температурные профили для нарушения ST, которое создает локальный температурный максимум примерно на пикселе №7, однако не вызвано близким к поверхности разрывом. Для сравнения на фиг.4 В показаны температурные профили, расположенные в правильном позиционном положении в области дефекта DEF по типу разрыва, причем здесь также температурный максимум находится примерно в области пикселя №7. Расположенные в правильном позиционном положении температурные профили анализируют на основе критериев оценки, которые вследствие пространственно-временного изменения температурных профилей допускают относительно достоверные заключения о том, соответствует ли пространственно-временное изменение распределения температуры ожидаемой в области разрыва или другого структурного нарушения, динамике, вызванной тепловым потоком, или другим закономерностям.
Одним из критериев оценки или одним из характерных параметров является амплитуда АМРМ температуры на месте температурного максимума в пределах одного температурного профиля. Другим характерным параметром, который показал себя очень надежным для оценки динамики распространения тепла, является величина KONZ концентрации тепла в области локального максимума температурного значения в пределах одного температурного профиля. На фиг.5 показаны: на фиг.5А диаграмма изменения во времени амплитуды АМРМ и величины KONZ концентрации тепла на различных шагах t по времени для нарушения ST, не вызванного разрывом, а на фиг.5В диаграмма изменения во времени тех же характерных параметров в тех же временных интервалах для близкого к поверхности разрыва DEF. По осям ординат указана температурная разность ΔТ на месте локального максимума по сравнению с окружением.
При проведении множества опытов было установлено, что в области разрывав как скорость остывания или изменения температуры на месте локального температурного максимума, так и скорость потерь концентрации тепла во времени относительно велики и значительно отличаются от соответствующих значений в области нарушений, не вызванных разрывами иди другими структурными нарушениями. Для максимальной температуры, которая представлена амплитудой АМРМ температуры на месте локального максимума, было установлено, что после окончания фазы нагрева, то есть во время остывания, она снижается непрерывно и с относительно высокой скоростью остывания. В данном примере принимается высокая вероятность наличия разрыва в том случае, когда скорость остывания в области по меньшей мере пяти следующих друг за другом снятых термографических изображений превышает предварительно заданную пороговую величину скорости остывания. Величина KONZ концентрации количества тепла является мерой соотношения количества тепла непосредственно у локального температурного максимума по сравнению с ближним окружением. Если величина концентрации тепла снижается со временем, это является показателем того, что тепло, помимо прочего, поперечно уходит в окружение. Это имеет место, например, при разрыве и соответственно расценивается как признак того, что наблюдаемый сигнал вызван распространением тепла в твердом теле вблизи разрыва.
В отличие от описанного в примере по фиг.5А, когда отклонение не вызвано разрывом, с самого начала величина KONZ концентрации тепла меньше, чем в случае разрыва. Кроме того, в начале наблюдаемого интервала времени величина концентрации тепла сначала повышается перед тем, как постепенно снизиться. Максимальная амплитуда АМРМ также сначала возрастает, а затем снижается с относительно низкой скоростью остывания, которая заметно ниже скорости остывания, ожидаемой в области разрыва (фиг.5В).
Могут наблюдаться также и другие отклонения пространственно-временного процесса концентрации количества тепла от типичного процесса, обусловленного тепловым потоком при дефектах, и они могут использоваться в качестве показателя того, что нарушение вызвано не разрывом или подобным дефектом. Так например, величина концентрации количества тепла может оставаться постоянной более длительное время или повышаться или понижаться нехарактерным образом.
Эти примеры показывают, что анализ и количественная оценка пространственно-временных изменений температурных профилей обеспечивают возможность надежного различия между различными причинами первоначально установленных локальных температурных максимумов в температурном профиле. Если при первоначально установленных отклонениях в принципе установлены характеристики, описанные применительно к фиг.4В и 5В, в качестве причины классифицируют разрыв, и соответствующий участок поверхности при необходимости маркируют с помощью маркировочного устройства 170. Если в противоположность этому анализ показывает процесс, нетипичный для разрывов, раковин и других структурных нарушений (см. фиг.4А и 5А), то указания на разрывы отсутствуют. Таким путем могут быть с высокой надежностью устранены псевдо- или ложные показания. Привлечение пространственно-временного распространения тепла в области потенциального дефекта значительно способствует подавлению помех при выявлении и идентификации дефектов с помощью термографических сигналов.
2
1
1
Со ссылками на фиг.6 еще раз поясняется в качестве примера, каким образом анализ пространственно-временного распределения тепла может способствовать подавлению помех. Для этого на фиг.6А показан участок температурного профиля, который содержит примерно в области пикселя 455 сильно выдающийся температурный максимум с температурной разностью ΔT, по меньшей мере, равной 10 К относительно окружения. В большинстве обычных систем контроля такие показания автоматически расцениваются как надежный показатель наличия глубокого разрыва, так что контролируемый объект соответствующим образом маркируется и затем отбраковывается. Однако пространственно-временной анализ распространения тепла показывает, что причина заключается не в разрыве. На фиг.6В показаны расположенные в правильном позиционном положении температурные профили из области локального максимума для различных моментов времени. По сравнению с профилями по фиг.4 особенность состоит в том, что профиль с наибольшей амплитудой снят позже (t>t), чем профиль, снятый раньше в момент t времени и имеющий заметно меньшую амплитуду. Аномалию можно видеть также на показанной на фиг.6С диаграмме изменения во времени характерных параметров амплитуды (АМРМ) у локального максимума и величины (KONZ) концентрации количества тепла. Обе величины повышаются с течением времени, что не может объясняться распространением тепла в области локально нагретого разрыва. В данном случае показанный на фиг.6А крутой локальный температурный максимум вызван отражением на соответствующем месте контролируемой поверхности. Поскольку изменение температурных профилей во времени никоим образом не показывает типичный для разрезов процесс распространения, такое отражение не приведет к классификации в качестве разрыва. В отличие от этого в обычных системах отражение с высокой вероятностью было бы ложно интерпретировано как разрез.
Альтернативно или дополнительно описанным здесь характерным параметрам в качестве критериев оценки могут привлекаться также другие характерные параметры. Для этого могут привлекаться, например, производные описанных функций времени, - например, изменение во времени скорости остывания. Поскольку распространение тепла по существу может быть описано путем решения уравнений тепловой диффузии, изменение во времени температурных профилей в области локального максимума можно количественно оценивать посредством сравнения с гауссовой кривой или ложной функцией, причем в этих случаях при хорошем соответствии можно исходить из распространения тепла с доминированием теплового потока, а плохое соответствие позволяет делать заключение о других причинах. Можно также примерять к температурным профилям полиномы как функции приближения и посредством анализа коэффициентов полиномов находить различие между искомыми дефектами (например, разрывами) и некритическими помехами (например, отражениями).