ТЕПЛОВОЙ ДЕФЕКТОСКОП

Полезная модель относится к области неразрушающего контроля, в частности, к активному одностороннему тепловому контролю скрытой коррозии цилиндрических контейнеров, предназначенных для хранения радиоактивных отходов.
Известно устройство смешивания тепловых потоков, повышающее равномерность нагрева - полуконвективный принудительный пневматический нагреватель листов стекла. Устройство содержит сопла, которые втягивают раскаленный воздух из печи, смешивают его со сжатым воздухом и выдувают горячую смесь на стекло. Печь включает в себя нагревательную камеру, продольный конвейер, проходящий через нагревательную камеру, источник сжатого воздуха, а также несколько пневматических трубок, ориентированных параллельно конвейеру. Каждая из вышеупомянутых трубок соединена с источником сжатого воздуха, трубки содержат серию вмонтированных и расположенных на равном расстоянии сопел. Каждое из сопел имеет верхний вход для впуска нагретого печного воздуха, отверстие в боковой стенке для впуска сжатого воздуха, смесительную камеру для смешивания сжатого воздуха с печным воздухом с образованием горячей смеси, а также нижний выход для выпускания смеси на листы в печной камере. (Патент RU №2287493, от 16.09.2003).
Основным недостатком технического решения является сложность предложенной конструкции, в частности, при его использовании в тепловых дефектоскопах.
Известно устройство, относящееся к области тепловизионного контроля энергетического оборудования. Устройство, которое содержит контроллер, соединенный с модулем аналогового ввода и модулем дискретного ввода-вывода по цифровому интерфейсу, регулирующие клапаны с электроприводом, подключенные к модулю дискретного ввода-вывода и к модулю аналогового ввода, выходные направляющие аппараты газовых струй, соединенные трубопроводами с регулирующими клапанами. Устройство характеризуется тем, что в него введен датчик контроля поля температуры газового потока, соединенный с контроллером через преобразователь интерфейсов. В качестве устройства контроля поля температуры газового потока может использоваться либо тепловизионный OEM-модуль, либо промышленный тепловизор, а в качестве преобразователя интерфейсов - либо модуль Gigabit Ethernet, либо компьютер с платой видеозахвата и платой для связи с контроллером. (Патент RU №129230, от 10.01.2013).
Основным недостатком технического решения является сложность предложенной конструкции, в частности, при его использовании в тепловых дефектоскопах.
Известно устройство, относящееся к контролю коррозии и применяющееся для оценки степени опасности проникновения коррозии и защиты металлических сооружений, контактирующих с электропроводными и малоэлектропроводными средами. Устройство состоит из электрически замкнутого на сооружение корпуса, изготовленного из того же материала, что и сооружение. Контактирующая со средой часть корпуса имеет меньшую толщину, чем стенка сооружения. Полость корпуса заполнена непроводящим инертным капиллярно-пористым материалом, в который введен металлический электрод с возможностью образования электрического контакта между корпусом и электродом. Также, между корпусом и электродом включен регистрирующий прибор. (Патент RU №2143107, от. 20.12.1999).
К недостаткам технического решения относится необходимость доступа внутрь контролируемого объекта и неприменимость устройства к сооружениям, контактирующим с неэлектропроводными средами.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство для одностороннего импульсного теплового контроля, принцип действия которого основан на обработке тепловых изображений с целью определения толщины изделия и глубины дефектов. Устройство предназначено для неразрушающих испытаний пластмассы, керамики, металлов и других материалов. Два источника тепловой стимуляции - импульсные лампы - и тепловизор расположены с одной стороны контролируемого изделия. Компьютер с помощью специальной программы управляет и синхронизует запуск импульсных ламп и работу тепловизора для сбора и обработки тепловых изображений с последующим определением толщины изделия и глубины залегания дефекта. (Патент США №6542849, опубликован 1.04.2003).
Недостатками технического решения являются невозможность контроля изделий из металлов, в особенности, стали, толщиной более 0,5-1 мм в силу импульсного характера нагрева, а также наличие помех, обусловленных отраженным тепловым излучением после выключения импульсных ламп.
Задача полезной модели - повышение достоверности неразрушающего контроля при выявлении дефектных образований в металлических и неметаллических изделиях толщиной более 1 мм.
Тепловой дефектоскоп для активного теплового неразрушающего контроля объектов, который содержит воздушные нагреватели для тепловой стимуляции контролируемого объекта, включающие электрические резистивные элементы и вентиляторы, раздельно подключенные к компьютеру для независимого управления процессами нагрева и охлаждения контролируемого объекта, и тепловизор, соединенные с компьютером, управляющим процессом нагрева и записью термограмм. Тепловой дефектоскоп дополнительно содержит камеру смешивания тепловых потоков воздушных нагревателей для обеспечения равномерного воздушного нагрева контролируемого объекта. Камера смешивания тепловых потоков содержит не менее четырех технологических отверстий, из которых, не менее двух технологических отверстий предназначены для ввода воздушных потоков, одно отверстие предназначено для вывода смешанного воздушного потока нагрева контролируемого объекта и одно отверстие предназначено для визирования объекта контроля тепловизором.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На фиг. 1 - вид устройства сверху.
На фиг. 2 - фото теплового дефектоскопа для активного теплового неразрушающего контроля объектов с камерой смешивания тепловых потоков.
На фиг. 3 - инфракрасные термограммы исследуемого участка контролируемого объекта.
На фиг. 1 изображен тепловой дефектоскоп для активного теплового неразрушающего контроля объектов, который содержит компьютер 1 соединенный с тепловизором 2 и воздушными нагревателями 3, содержащими резистивные элементы 4 и вентиляторы 5. Тепловизор 2 вставлен в технологическое отверстие 6, а воздушные нагреватели 3 вставлены в технологические отверстия 7 камеры смешивания воздушных потоков 8. Выходное отверстие 9 камеры смешивания тепловых потоков 8 направлено на исследуемый участок контролируемого объекта 10.
На фиг. 2 изображен тепловой дефектоскоп для активного теплового неразрушающего контроля объектов. Контролируемым объектом 10 является 200-литровая емкость, используемая на атомных станциях для хранения радиоактивных отходов. Тепловизор 2 визирует контролируемый объект 10 через технологическое отверстие 6 и выходное отверстие 9 камеры смешивания воздушных потоков 8. Воздушные потоки от воздушных нагревателей 3 вводятся в камеру смешивания воздушных потоков 8 через два технологических отверстия 7.
На фиг. 3. в качестве примера результатов теплового неразрушающего контроля приведены инфракрасные термограммы исследуемого участка контролируемого объекта без применения (а) и с применением (б) камеры смешивания тепловых потоков 8 воздушных нагревателей 3. На термограмме без применения камеры смешивания тепловых потоков 8(а) отчетливо видны два светлых участка I и II, которые соответствуют тепловым отражениям от нагретых сопел воздушных нагревателей 3. Кроме того, на термограмме присутствует дефектная зона (коррозия задней стенки) в виде светлого пятна III. При проведении неразрушающего контроля автоматическим устройством или оператором участки тепловых отражений могут быть приняты за дефекты. На инфракрасной термограмме с применением камеры смешивания тепловых потоков 8(б) изображения тепловых отражений нагретых сопел воздушных нагревателей 3 отсутствуют, при этом отчетливо видно дефектное образование в виде светлого пятна IV.
Устройство работает следующим образом.
- Оператор запускает программу для задания параметров процесса неразрушающего контроля, анализа записанных инфракрасных термограмм, управления и синхронизации работы тепловизора 2 и воздушных нагревателей 3, используемых для тепловой стимуляции контролируемого объекта 10, а также компьютера 1.
- После запуска программы тепловизор 2 начинает последовательную запись заданного числа инфракрасных термограмм с заданным интервалом времени. Интервал записи термограмм определяется частотой смены изображений в тепловизоре 2 и обычно составляет от 1/100 секунды до 1 с, а полное число записанных термограмм составляет от 10 до 1000.
- С учетом задаваемого оператором времени задержки электрические резистивные элементы 4 и вентиляторы 5 воздушных нагревателей 3 создают воздушный поток, смешиваемый в камере смешивания воздушных потоков 8, который равномерно нагревает исследуемый участок контролируемого объекта 10. По истечении заданного времени тепловой стимуляции электрические резистивные элементы 4 воздушных нагревателей 3 выключаются. При этом вентиляторы 5 воздушных нагревателей 3, которые обеспечивали движение воздушных потоков нагрева, продолжают работать при пониженной температуре воздушных потоков, в результате чего происходит принудительное охлаждение контролируемого объекта 10, что обеспечивает подготовку следующей смежного участка объекта к контролю. Кроме того, согласно теории теплового контроля, при охлаждении зоны контроля увеличивается отношение сигнал/шум. По окончании последовательной записи инфракрасных термограмм тепловизором 2 вентиляторы 5 воздушных нагревателей 3 отключаются.
- После выдержки интервала времени, необходимого для достаточного охлаждения проконтролированного участка, оператор перемещает контролируемый объект 10 до попадания в поле зрения тепловизора 2 следующей зоны контроля. Операцию повторяют до тех пор, пока не будет исследована вся поверхность контролируемого объекта 10.
- Результатом проведения процедуры контроля является набор из N последовательностей инфракрасных термограмм, где N - число отдельных участков контроля на поверхности контролируемого объекта 10. Полученные последовательности инфракрасных термограмм обрабатывают согласно принятому алгоритму, например, используя полиномиальную аппроксимацию и определение второй производной от температуры по времени, а также Фурье- и вейвлет анализ, использование нейронной сети, анализ главных компонент и т.д. На практике, например, на атомных станциях, автоматически контролируют всю поверхность исследуемого объекта, для чего используют дополнительные механические устройства, например, робот.
Неразрушающий контроль скрытых дефектов является основным условием безопасной эксплуатации объектов из металлов, таких как контейнеры и резервуары, а также композиционных материалов, например, сотовых панелей фюзеляжей самолетов. Тепловой дефектоскоп позволяет проводить одно- и двусторонний контроль объектов, обладает высокой надежностью обнаружения скрытых дефектов, экспрессным характером испытаний, связанным с относительно большими площадями контроля, малым временем нахождения операторов вблизи объектов контроля, дистанционностью процедуры испытаний и возможностью количественной оценки степени уноса материала.
Использование в предлагаемой полезной модели воздушных нагревателей для тепловой стимуляции контролируемых объектов при длительности нагрева, равной 1-30 секундам и более, позволяет расширить диапазон контролируемых толщин металлических и композиционных образцов более 1 мм за счет увеличения количества поглощенной энергии нагрева по сравнению с импульсными лампами. Наличие камеры смешивания тепловых потоков устраняет помехи, обусловленные отражением теплового излучения горячих сопел воздушных нагревателей на поверхности контролируемого объекта в процессе нагрева и после его завершения. Возможность раздельного управления электрическими резистивными элементами и вентиляторами воздушных нагревателей теплового дефектоскопа позволяет повысить достоверность контроля за счет повышения отношения сигнал/шум.