СПОСОБ БЕСКОНТАКТНОГО ОДНОСТОРОННЕГО АКТИВНОГО ТЕПЛОВОГО НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ
METHOD OF CONTACTLESS ONE-WAY ACTIVE THERMAL NONDESTRUCTIVE INSPECTION

Изобретение относится к бесконтактному одностороннему активному тепловому неразрушающему контролю структурных дефектов в твердых материалах. Заявляемый способ может быть использован для теплового неразрушающего контроля изделий в авиакосмической, машиностроительной и энергетической промышленности.
Известен способ бесконтактного активного теплового неразрушающего контроля твердых материалов при нестационарном тепловом режиме. Сущность способа заключается в нагреве передней поверхности контролируемого образца источником оптического излучения и одновременной регистрации температурного поля поверхностей контролируемого образца с помощью тепловизора и системы зеркальных отражателей. Регистрируют распределение тепла от источника оптического излучения и контролируемого образца в виде инфракрасных изображений. После обработки инфракрасных изображений сравнивают энергетические балансы источника оптического излучения и контролируемого образца при заданном режиме нагрева с учетом распределения температуры по поверхности контролируемого образца. Определяют и контролируют свойства исследуемой системы и проводят оценку наличия дефектов, а также находят условия, необходимые для соответствующей функциональной принадлежности контролируемого образца в нужном технологическом процессе (Патент RU №2379668 от 20.01.2010).
Недостатками данного способа с точки зрения неразрушающего контроля скрытых дефектов являются: 1) необходимость использования процедуры двухстороннего неразрушающего контроля, в то время как в практике неразрушающих испытаний наиболее востребована односторонняя процедура; 2) отсутствие эталона дефектности, с которым целесообразно проводить сравнение текущих результатов; 3) отсутствие алгоритмов компьютерной обработки температурной информации, направленных на повышение отношения сигнал/шум.
Известен способ бесконтактного активного теплового неразрушающего контроля материалов, включающий измерение температуры поверхности контролируемого образца тепловизором в направлении, не совпадающем с вектором теплового потока источника оптического излучения. Обработку результатов измерений проводят на стадии регулярного теплового режима путем расчета градиента логарифма интенсивности излучения в каждой точке поверхности контролируемого образца. Оценку наличия дефектов осуществляют по величине производной от градиента логарифма интенсивности излучения по времени (Патент RU №2235993 от 25.04.2003).
Основным недостатком предложенного решения является ограниченность по типу контролируемых объектов, в частности невозможность применения данного способа при одностороннем доступе к контролируемому образцу, а также сложность методического обеспечения процедуры контроля.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ бесконтактного одностороннего активного теплового неразрушающего контроля, предназначенного для обнаружения дефектов в твердых материалах. Способ включает нагрев одной из поверхностей контролируемого образца в течение фиксированного времени источником оптического излучения и регистрацию нестационарного температурного поля этой поверхности в виде последовательности инфракрасных термограмм. После окончания нагрева источник оптического излучения перекрывают для устранения отраженного излучения. Обнаружение скрытых дефектов проводят путем анализа отношения двух термограмм, выбранных из зарегистрированной последовательности термограмм (Патент RU №2509300 от 12.11.2006).
Основным недостатком представленного способа является необходимость выбора оператором или автоматическим устройством эталонной (бездефектной) точки на поверхности контролируемого образца, относительно которой определяют локальные температурные аномалии, после чего оценивают дефектность образца. Выбор такой точки затруднителен, поскольку перед испытаниями отсутствует априорная информация о дефектности контролируемого образца. Кроме того, на практике неравномерность нагрева поверхности контролируемого образца приводит к необходимости выбора нескольких эталонных точек, как правило, вблизи «подозрительных» зон. Выбор эталонной точки является субъективным и зависит от опыта оператора. В результате автоматизация процесса неразрушающего контроля затруднительна.
Задача заявляемого изобретения - осуществление автоматизированного процесса неразрушающего контроля однотипных изделий и материалов.
Способ бесконтактного одностороннего активного теплового неразрушающего контроля, предназначенный для обнаружения структурных дефектов в твердых материалах, включает нагрев контролируемого образца источником оптического излучения и одновременную тепловизионную регистрацию последовательности инфракрасных термограмм, отражающих изменение температуры поверхности образца. Для автоматизации процесса неразрушающего контроля в фиксированной области зоны контроля дополнительно размещают эталонный образец. Материал эталонного образца идентичен материалу контролируемого образца, толщину эталонного образца выбирают близкой к толщине контролируемого образца, а поперечные размеры эталонного образца выбирают таким образом, чтобы размер цифрового инфракрасного изображения эталонного образца был не менее 3×3 пикселя. Последовательность инфракрасных термограмм, записанная в процессе неразрушающего контроля в память компьютера, обрабатывают методом корреляционного анализа, который включает определение коэффициента корреляции для последовательных моментов времени между температурной функцией образца в каждом текущем пикселе инфракрасных термограмм и температурной функцией эталонного образца.
Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежом, где приведен вид устройства сверху.
На чертеже изображено устройство, позволяющее реализовать способ бесконтактного одностороннего активного теплового неразрушающего контроля для обнаружения структурных дефектов в твердых материалах. Устройство содержит источник оптического излучения 1 для нагрева контролируемого образца 2 и эталонного образца 3, изготовленного из материала, идентичного материалу контролируемого образца 2, с толщиной, близкой к толщине контролируемого образца 2, и поперечными размерами, достаточными для получения с помощью тепловизора 4 его инфракрасного изображения. Причем для надежного измерения температуры эталонного образца размер изображения эталонного образца должен быть не менее чем 3×3 пикселя. Тепловизор 4 регистрирует изменение температуры поверхности контролируемого образца 2 и эталонного образца 3. Источник оптического излучения 1 и тепловизор 4 подключены к компьютеру 5.
Способ работает следующим образом.
Устанавливают контролируемый образец 2 и эталонный образец 3 в поле зрения тепловизора 4 и в зоне нагрева источником оптического излучения 1. Для автоматизации процесса контроля эталонный образец размещают в фиксированном месте для получения его инфракрасного изображения в одном и том же месте инфракрасных термограмм с целью автоматического считывания его температурной функции компьютерной программой. Материал и толщину эталонного образца выбирают идентичными (или близкими) к материалу и толщине контролируемого образца, причем контролируемые образцы являются однотипными, чем обеспечивается идентичность температурных функций контролируемого образца и эталонного образца.
Запускают компьютерную программу для задания параметров активного теплового неразрушающего контроля, позволяющую регистрировать и анализировать инфракрасные термограммы, осуществлять управление и синхронизацию работы тепловизора 4, источника оптического излучения 1 и компьютера 5.
Включают последовательную запись заданного числа инфракрасных термограмм в течение заданного интервала времени с помощью тепловизора 4. Интервал записи термограмм в тепловизоре 4 в процедурах теплового неразрушающего контроля обычно составляет от 1/100 секунды до 1 секунды, а полное число записанных инфракрасных термограмм составляет от 10 до 1000. На данном этапе испытаний источник оптического излучения отключен и производится регистрация инфракрасных термограмм, отражающих начальное состояние объекта контроля. Для этой цели оператор задает так называемое время задержки между началом записи инфракрасных термограмм и включением источника нагрева.
По истечении установленного времени задержки включают источник оптического излучения 1 и нагревают одновременно переднюю поверхность контролируемого образца 2 и эталонного образца 3. Тепловизор 4 продолжает осуществлять регистрацию температуры поверхности контролируемого образца 2 и эталонного образца 3 в процессе нагрева.
По истечении требуемого времени нагрева контролируемого образца 2 и эталонного образца 3 отключают источник оптического излучения 1. Тепловизор 4 продолжает осуществлять регистрацию температуры поверхности контролируемого образца 2 и эталонного образца 3 в процессе охлаждения. Таким образом, температуру поверхности контролируемого образца 2 и эталонного образца 3 измеряют перед началом их нагрева, в ходе нагрева и в процессе их последующего охлаждения.
Последовательность инфракрасных термограмм сохраняют в памяти компьютера 5, после чего обрабатывают методом корреляционного анализа, включающим определение коэффициента корреляции для последовательных моментов времени между температурной функцией контролируемого образца 2 в каждом текущем пикселе инфракрасных термограмм и температурной функцией эталонного образца 3. Температурную функцию эталонного образца 3 регистрируют автоматически при фиксированном положении эталонного образца 3 в поле зрения тепловизора.
Результатом бесконтактного одностороннего активного теплового неразрушающего контроля является графическое отображение коэффициента корреляции для последовательных моментов времени между температурной функцией контролируемого образца 2 в каждом текущем пикселе инфракрасных термограмм и температурной функцией эталонного образца 3, причем наличие дефектов в контролируемом образце 2 определяют по отклонению значений коэффициента корреляции в отдельных зонах.
Использование метода корреляции для обнаружения структурных дефектов при бесконтактном активном тепловом неразрушающем контроле известно, однако в известном способе корреляцию осуществляют между текущим пикселем инфракрасного изображения и эталонным пикселем, который должен быть выбран оператором на поверхности контролируемого образца. Недостатком такого способа является необходимость выбора эталонной точки, что затруднительно в силу отсутствия априорных сведений о контролируемом образце. Особенностью использования эталонного образца при бесконтактной односторонней процедуре активного теплового неразрушающего контроля твердых материалов, что предложено в настоящем способе, является возможность определения коэффициента корреляции для последовательных моментов времени между температурной функцией контролируемого образца в каждом текущем пикселе инфракрасных термограмм и температурной функцией эталонного образца. Таким образом, нет необходимости выбирать эталонную точку на поверхности контролируемого образца, что позволяет автоматизировать процесс испытаний однотипных изделий.