ТЕПЛОВОЙ ДЕФЕКТОСКОП
THERMAL FLAW DETECTOR

Изобретение относится к исследованию или анализу материалов с помощью тепловых средств, а именно к неразрушающему контролю активным тепловым методом и может быть использовано для контроля скрытых дефектов в композиционных материалах и изделиях, относящихся к авиакосмической, ракетной, атомной, машиностроительной и энергетической отраслям промышленности.
Известно устройство для проведения активного теплового неразрушающего контроля скрытых дефектов в твердых телах [RU 2509300 С1, МПК G01N 25/72 (2006.01), опубл. 10.03.2014], которое содержит два оптических источника нагрева с использованием галогеновых ламп, снабженных непрозрачными шторками, и тепловизор, соединенный с компьютером. Устройство позволяет проводить испытания материалов и изделий путем тепловой стимуляции их поверхности оптическим источником нагрева с одновременной регистрацией нестационарного температурного поля этой поверхности в процессе нагрева и/или охлаждения в виде последовательности термограмм с помощью тепловизора. Остаточное излучение выключенного оптического источника нагрева перекрывается для устранения отраженного контролируемой поверхности излучения с помощью непрозрачных шторок.
Известно устройство для проведения активного теплового неразрушающего контроля композиционных материалов и металлов, позволяющее обнаруживать скрытые в композиционных материалах и металлах дефекты [Optimizing components and evaluating technical performance of IR thermographic NDT systems, A.O. Chulkov, V.P. Vavilov, S.S. Pawar. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering Volume 9861, 2016. - P. 1-10]. Устройство содержит оптический источник нагрева с использованием четырех галогеновых ламп, оснащенный механизмом перекрытия остаточного теплового излучения ламп после их выключения с помощью непрозрачных шторок, и тепловизор, соединенный с компьютером.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является тепловой дефектоскоп для неразрушающего контроля цилиндрических металлических изделий [RU 142185 U1, МПК G01N 25/00 (2006.01), опубл. 20.06.2014], который содержит два оптических источника нагрева на базе двух управляемых галогеновых ламп в каждом и тепловизор, подключенный к компьютеру. Оптические источники нагрева служат для тепловой стимуляции объекта контроля и подключены к блоку питания, который соединен с компьютером. Оптические источники нагрева снабжены программно-управляемыми непрозрачными шторками. Все элементы устройства расположены по одну сторону контролируемого изделия, которое установлено на испытательном столе, выполненном с возможностью вращения. Устройство вращения соединено с компьютером.
Непрозрачные шторки в процессе длительного контроля нагреваются остаточным излучением выключенных оптических источников нагрева. Собственное излучение шторок, в свою очередь, отражается от поверхности объекта контроля и попадает в поле зрения тепловизора, что затрудняет интерпретацию результатов контроля и снижает его производительность в связи с необходимостью применения сложных математических алгоритмов обработки изображений, а также снижает достоверность результатов контроля в связи с пропуском дефектов и/или обнаружением ложных дефектов.
Предложенный тепловой дефектоскоп позволяет повысить достоверность контроля за счет снижения уровня тепловых помех на поверхности объекта контроля.
Тепловой дефектоскоп, также как в прототипе, содержит два оптических источника нагрева в виде управляемых галогеновых ламп, снабженных непрозрачными шторками, тепловизор, расположенный между оптическими источниками нагрева и подключенный к компьютеру, блок питания.
Согласно изобретению в открытом корпусе теплового дефектоскопа размещены тепловизор и два оптических источника нагрева, в отражателях которых установлены галогеновые лампы. К открытой части отражателей с помощью подвижных шарниров прикреплены металлические полые шторки. Стороны шторок, обращенные к лампам, выполнены из металла с коэффициентом отражения не ниже 0,7, а внешние стороны шторок, обращенные к объекту контроля, выполнены из металла с коэффициентом поглощения не ниже 0,9 и классом шероховатости не выше 3-го. Полости шторок внутри заполнены теплоизоляционным негорючим материалом с коэффициентом теплопроводности не выше 0,036 Вт/(м×К). К подвижному шарниру каждого оптического источника нагрева прикреплен сердечник соленоида. Оба соленоида подключены к первому электронному ключу, который связан с блоком питания и компьютером. Лампы источника нагрева подключены ко второму электронному ключу, который соединен с блоком питания и компьютером.
Использование предложенной конструкции шторок позволяет повысить достоверность неразрушающих испытаний за счет снижения уровня тепловых помех на поверхности объекта контроля на стадии его остывания, то есть, после прекращения нагрева. Стороны шторок, выполненные из материала с высоким коэффициентом отражения, обращенные к лампам, после отключения ламп отражают остаточное излучение источника нагрева, а теплоизоляционный слой в полости шторок исключает теплопередачу между внутренними и внешними сторонами шторок. Внешние стороны шторок, выполненные из материала с высоким коэффициентом поглощения, снижают вероятность отражения инфракрасного излучения окружающих предметов от шторок на инспектируемую область поверхности объекта контроля.
На фиг. 1 схематично изображен тепловой дефектоскоп.
Тепловой дефектоскоп содержит открытый корпус 1, внутри которого размещены два оптических источника нагрева, в отражателях 2 и 3 которых установлены галогеновые лампы 4 и 5 (одна или несколько в каждом). К открытой части отражателей 2 и 3 с помощью подвижных шарниров 6 и 7 прикреплены металлические полые шторки. Стороны 8 и 9 шторок, обращенные к галогеновым лампам 4 и 5, выполнены из металла с коэффициентом отражения не ниже 0,7, например, из полированной стали. Внешние стороны 10 и 11 шторок, выполнены из металла с коэффициентом поглощения не ниже 0,9 и классом шероховатости не выше 3-го, например, из черненой стали. Полости шторок заполнены теплоизоляционным негорючим материалом, например, минеральной ватой с коэффициентом теплопроводности не выше 0,036 Вт/(м×К), или воздухом. К подвижным шарнирам 6 и 7 прикреплены сердечники соленоидов 12 (С1) и 13 (С2). Тепловизор 14 размещен внутри корпуса 1 между оптическими источниками нагрева и подключен к компьютеру 15. Соленоиды 12(С1)и 13 (С2) подключены к первому электронному ключу 16 (К1), который подключен к компьютеру 15 и соединен с блоком питания 17 (БП), подключенным к сети 220 В. Галогеновые лампы 4 и 5 подключены ко второму электронному ключу 18 (К2), который соединен с блоком питания 17 (БП) и с компьютером 15. Тепловой дефектоскоп установлен перед объектом контроля 19.
В качестве тепловизора 14 может быть использован тепловизионный модуль FLIR A325sc с температурной чувствительностью 0,06°С, матрицей размером 320×240 и частотой записи термограмм 10 Гц. В качестве соленоидов 12 (С1) и 13 (С2) могут быть использованы электромагниты ОМ-1039 В с ходом сердечника 10 мм и усилием втягивания 100 г.В качестве электронных ключей 16 (К1) и 18 (К2) может быть использован модуль Ke-USB24R с набором реле, управляющим высоковольтными нагрузками через USB интерфейс. В качестве блока питания 17 (БП) могут быть использованы трансформатор ТП112-2 с входным напряжением 220 В и выходным напряжением 12 В, номинальной мощностью 7 Вт.
Оператор располагает тепловой дефектоскоп перед объектом контроля 19, например, элементом планера самолета, выполненного из композиционного материала, на расстоянии от 0,4 до 1 м и с помощью специализированной программы, установленной на компьютер 15, задает требуемые параметры контроля: длительность работы галогеновых ламп 4 и 5, частоту записи инфракрасных термограмм тепловизором 14, после чего с помощью компьютера 15 запускает процесс контроля.
Тепловизор 14 начинает записывать инфракрасные термограммы контролируемой зоны объекта контроля 19. После регистрации первой инфракрасной термограммы, используемой для фиксации начальной температуры поверхности объекта контроля 19, компьютер 15 подает сигнал второму электронному ключу 18 (К2) для включения галогеновых ламп 4 и 5. После временной задержки, длительностью от 1 до 5 секунд (в зависимости от типа галогеновой лампы и инерционности), что необходимо для выхода галогеновых ламп 4 и 5 на рабочий режим и создания прямоугольного фронта импульса нагрева, компьютер 15 подает сигнал через первый электронный ключ 16 (К1) на соленоиды 12 (С1) и 13 (С2), которые воздействуют на шарниры 6 и 7 и открывают шторки оптических источников нагрева (на фиг. 1 одна шторка показана в открытом положении). Происходит нагрев поверхности объекта контроля 19 в течение периода времени, программно заданного оператором.
По окончании заданного оператором времени нагрева, компьютер 15 одновременно подает сигналы на первый электронный ключ 16 (К1) для воздействия через соленоиды 12 (С1) и 13 (С2) на шарниры 6 и 7 для закрытия шторок, и на второй электронный ключ 18 (К2) для отключения галогеновых ламп 4 и 5.
Тепловизор 14 продолжает запись инфракрасных термограмм нагретой зоны объекта контроля 19 в фазе остывания в течение времени, установленного оператором с помощью компьютера 15.
По окончании заданного времени регистрация термограмм тепловизором 14 прекращается. Записанные инфракрасные термограммы сохраняют в компьютере 15.
Для повышения уровня выявляемости дефектов в проконтролированной области оператор обрабатывает полученную последовательность инфракрасных термограмм с помощью компьютера 15, используя различные алгоритмы, например, метод анализа главных компонент или преобразование Фурье, входящих в опционал специализированной программы, например, ThermoFit.
После окончания процедуры контроля оператор перемещает тепловой дефектоскоп для испытания следующей зоны объекта контроля 19, причем, для исключения пропусков дефектов, следующая зона контроля перекрывает предыдущие зоны не менее, чем на 10%.
Результатом испытаний является карта дефектов объекта контроля 19, состоящая из отдельных карт дефектов каждой проконтролированной зоны.