СПОСОБ АКТИВНОГО ОДНОСТОРОННЕГО ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ СКРЫТЫХ ДЕФЕКТОВ В ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ
METHOD FOR ACTIVE SINGLE-SIDED THERMAL CONTROL OF HIDDEN DEFECTS IN SOLID BODIES

Изобретение относится к области неразрушающего контроля материалов и изделий с использованием метода активного одностороннего теплового контроля скрытых дефектов и может найти применение при тепловизионном контроле скрытой коррозии в стальных резервуарах, используемых в ядерной и теплоэнергетической промышленности.
Известен классический способ активного одностороннего теплового контроля, при котором поверхность объекта контроля подвергается воздействию внешнего источника тепловой энергии, при котором источник нагрева и средство регистрации теплового излучения расположены по одну сторону объекта контроля [ГОСТ Р 53698-2009. Контроль неразрушающий. Методы тепловые. Термины и определения]. Нестационарное температурное поле контролируемой поверхности регистрируют с помощью тепловизора в виде последовательности термограмм, после чего судят о наличии скрытых дефектов (качестве изделия) по результатам анализа вышеуказанной последовательности. Наиболее простым видом анализа является визуальная оценка термограммы, записанной в момент максимального проявления внутренних дефектов обученным оператором. Например, дефекты в виде расслоений, несплошностей, скрытых трещин проявляются при одностороннем контроле в виде локальных зон повышения температуры (температурных аномалий). Для повышения достоверности контроля проводят компьютерную обработку зарегистрированной последовательности термограмм, используя ряд известных алгоритмов. Например, применяя к последовательности преобразование Фурье или вейвлет-преобразование во времени, можно подчеркнуть аномальные температуры в дефектных точках, синтезируя так называемые фазограммы.
Недостатком классических способов активного одностороннего теплового контроля являются высокие амплитуды помех, поскольку тепловизор регистрирует оптические помехи поверхности контроля, отраженное оптическое излучение нагрева и отраженное излучение нагревателя. Наличие помех искажает оригинальный вид термограмм и затрудняет обнаружение тепловых аномалий, за счет уменьшения отношения сигнал/шум, тем самым снижая достоверность контроля.
Известен также способ активного одностороннего теплового контроля, основанный на нормализации последовательности термограмм, которая заключается в том, что все термограммы последовательности делят на опорную термограмму (одну из термограмм в начале нагрева), в которой присутствуют оптические помехи, но еще отсутствуют температурные аномалии от дефектов [В.П.Вавилов. Инфракрасная термография и тепловой контроль. - Москва, ИД «Спектр», 2009. - 570 с.]. В результате деления амплитуды помех снижаются, а тепловые аномалии над дефектами остаются. Недостатком данного способа также является невысокая достоверность контроля, обусловленная тем, что больше всего снижаются мультипликативные оптические поверхностные помехи, а аддитивные помехи отраженного излучения нагревателя снижаются меньше.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по использованию, технической сущности и достигаемому техническому результату является способ активного теплового контроля с использованием анализа термографических данных при неразрушающем контроле [US Patent No. 5631465. Method of interpreting thermographic data for nondestructive evaluation, appl. 29 Febr. 1996.]. Он и принят за прототип изобретения. Способ включает импульсный нагрев изделия с помощью ксеноновой лампы и последующее перекрытие отраженного излучения нагретой лампы механическим способом (с помощью непрозрачной шторки). Последовательность термограмм записывают в процессе охлаждения после прекращения действия оптического импульса нагрева, а обработку термограмм проводят либо в режиме он-лайн с помощью встроенного цифрового блока обработки, либо в режиме офф-лайн с помощью компьютера.
Недостатки этого способа заключаются в том, что хотя он и позволяет полностью устранить отраженное излучение на стадии охлаждения с помощью непрозрачной шторки, но не решает проблему присутствия отраженного излучения в процессе нагрева, поэтому при осуществлении нормализации опорная термограмма будет по-прежнему содержать помехи отраженного излучения нагревателя.
Задачей изобретения является повышение достоверности обнаружения дефектов (повышение отношения сигнал/шум) за счет устранения помех, обусловленных отраженным излучением нагревателя, от поверхности объекта контроля.
Поставленная задача решена за счет того, что в способе активного одностороннего теплового контроля скрытых дефектов в твердых телах, так же как в прототипе, нагревают одну из поверхностей объекта контроля в течение фиксированного времени оптическим излучением источника нагрева, регистрируют нестационарное температурное поле этой поверхности в процессе нагрева и охлаждения в виде последовательности термограмм, причем после окончания нагрева перекрывают остаточное излучение горячего нагревателя для устранения отраженного излучения, а скрытые дефекты обнаруживают по отношению двух термограмм (нормализованной термограмме), которые выбирают из зарегистрированной последовательности термограмм, первая термограмма выбирается в момент максимального проявления температурных аномалий, а вторая (опорная) термограмма - в начале нагрева, когда температура поверхности объекта достаточна для уверенной регистрации (превышает порог чувствительности тепловизора), а температурные аномалии от дефектов отсутствуют.
Согласно изобретению дополнительно перекрывают излучение нагрева при регистрации опорной термограммы. В этом случае опорная термограмма не будет содержать помехи, обусловленные излучением нагревателя, отраженным от поверхности объекта контроля, что ведет к увеличению отношения сигнал/шум и тем самым к повышению достоверности контроля.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 приведен общий вид реализации предлагаемого способа:
а) схема активного одностороннего теплового контроля,
б) практическая реализация способа в виде лабораторной установки контроля коррозии в цилиндрических изделиях из металла.
Фиг.2 иллюстрирует протокол активного одностороннего теплового контроля коррозии в цилиндрических изделиях из металла:
а) график изменения температуры одной из точек поверхности объекта контроля во времени для 400 термограмм записанной последовательности (получен с помощью программы ThermoFit Pro, разработанной в Томском политехническом университете);
б) эталонная термограмма №35, записанная в момент первого (дополнительного) перекрытия потока излучения нагрева;
в) результирующая нормализованная термограмма, полученная делением оптимальной термограммы №210 на опорную термограмму №35 с дополнительным перекрытием потока излучения нагрева (согласно предлагаемому способу), отношение сигнал/шум равно 16,8;
г) результирующая нормализованная термограмма, полученная делением оптимальной термограммы №210 на опорную термограмму №35 без дополнительного перекрытия потока излучения нагрева (согласно способу-прототипу), отношение сигнал/шум равно 4,8.
При активном тепловом контроле выходной сигнал тепловизора в каждом пикселе термограммы прямо пропорционален падающему тепловому потоку , который, в свою очередь, складывается из собственного излучения объекта контроля  и отраженного излучения источника нагрева и окружающей среды  (при высокой температуре нагревателя излучением среды можно пренебречь):
где Т(x,y,τ) - распределение температур по поверхности объекта контроля, (x,y) - координаты пикселя термограммы, τ - время регистрации, ε - коэффициент излучения объекта контроля, (1-ε) - коэффициент отражения объекта контроля, n - показатель степени, постоянный для тепловизора с конкретным спектральным диапазоном (например, для длинноволнового диапазона инфракрасного излучения от 7 до 13 мкм n~5),  - отраженный поток излучения нагревателя от поверхности объекта контроля с учетом спектрального диапазона тепловизора.
При нормализации результатов теплового контроля (делении на опорную термограмму) без перекрытия потока излучения нагревателя результатом деления будет нормализованная термограмма Р(x,y,τ):
опор
Результатом процедуры контроля будет получение нормализованной термограммы Рmax,                                                                                                                                                                                                                                                                  в которой распределение температур Т(x,y,τmax) регистрируют в момент максимального проявления температурных аномалий, а опорную температуру Т регистрируют в начале нагрева, когда температура поверхности объекта достаточна для уверенной регистрации (превышает порог чувствительности тепловизора), а температурные аномалии от дефектов отсутствуют.
При использовании способа-прототипа отраженное излучение нагревателя отсутствует только при регистрации температуры Т, и нормализованная термограмма имеет вид
что не обеспечивает полной компенсации флуктуации коэффициента излучения ε и отсутствия шумов.
Известно, что флуктуации коэффициента излучения ε по поверхности объекта контроля являются одним из основных источников помех при тепловом контроле. Из формулы (3) следует, что полная компенсация ε возможна только, если =0 при регистрации опорной термограммы и тогда
опор
т.е. шумы отсутствуют и, следовательно, достоверность теплового контроля максимальна. Это достигается путем дополнительного перекрытия излучения нагрева при регистрации опорной термограммы Т согласно предложенному способу.
Способ осуществляется следующим образом (фиг.1). Объект контроля 1 (стальной резервуар цилиндрической формы) со скрытыми дефектами 2 (зона коррозии внутренней стенки) нагревается с помощью источника оптического нагрева (двух галогенных ламп) 3, снабженных непрозрачными шторками 4 для механического перекрытия потока оптического излучения нагрева. Температурное поле участка изделия регистрируется тепловизором 5 в виде последовательности термограмм (в рассмотренном примере контроля коррозии последовательность содержала 400 термоизображений с частотой записи 10 Гц).
Протокол контроля, реализованный с помощью управляющей программы на компьютере типа «лэп-топ», иллюстрируется записью изменения температуры во времени для некоторой точки на поверхности изделия (фиг.2а). Протокол включает последовательность следующих шагов.
Во-первых, включают нагрев одной из поверхностей объекта контроля в течение фиксированного времени оптическим излучением источника нагрева (в нашем примере контроля коррозии время нагрева составляло 20 с) и регистрируют тепловизором нестационарное температурное поле этой поверхности в процессе нагрева и охлаждения в виде последовательности термограмм (до 400 термограмм в нашем случае).
Во-вторых, через некоторое время после включения источника оптического нагрева перекрывают поток излучения шторками и фиксируют опорную термограмму (термограмма №35, фиг.2б). Эта операция первого (дополнительного) перекрытия потока излучения является новой и отсутствует в способе-прототипе и способах-аналогах. Время нагрева до первого (дополнительного) перекрытия потока излучения выбиралось таким образом, чтобы тепловизор надежно фиксировал избыточную температуру изделия, но не выявлял скрытых дефектов, которые проявляются с некоторым запаздыванием относительно начала нагрева (например, при базовой мощности галогенных ламп 2 кВт в случае контроля коррозии стали толщиной 2 мм длительность нагрева до первого (дополнительного) перекрытия потока излучения составляла 3,5 с, при этом температура поверхности объекта контроля повышалась на 2°С). Время размещения шторки в потоке излучения нагрева выбиралось достаточным для регистрации одной эталонной термограммы (в рассматриваемом примере контроля коррозии это время составляло 0,1 с).
В-третьих, после удаления шторки из потока нагрева продолжался нагрев объекта контроля (в нашем случае время нагрева составляло 20 с).
В-четвертых, после окончания процесса нагрева снова перекрывался шторками поток излучения от нагретых галогенных ламп и продолжалась запись последовательности термограмм в процессе охлаждения (до термограммы №400 в нашем случае).
В-пятых, записанная последовательность термограмм подвергалась компьютерной обработке. В частности, выбиралась термограмма (№210 в рассматриваемом примере), в которой температурные аномалии скрытых дефектов были максимальны (в нашем случае разность температур дефектной и бездефектной областей составляла 0,6°С) и делилась на опорную термограмму (№35 в рассматриваемом примере). Результат такой обработки приведен на фиг.2в, причем для самой большой зоны коррозии справа внизу отношение сигнал/шум, рассчитанное стандартным образом как отношение разности дефектной и бездефектной температур к стандартному отклонению шума в бездефектной области, составило 16,8. Для сравнения на фиг.2г приведена результирующая термограмма, полученная согласно способу-прототипу, то есть путем деления оптимальной термограммы (№210) на опорную термограмму (№35), причем опорная термограмма была получена без дополнительного перекрытия потока излучения. В этом случае отношение сигнал/шум равно только 4,8 из-за наличия сильной помехи, обусловленной излучением нагревателя отраженным от поверхности объекта контроля.
Таким образом, введение операции дополнительного перекрытия потока излучения нагрева при регистрации опорной термограммы повысило отношение сигнал/шум с 4,8 до 16,8, то есть повысило достоверность контроля.