RU2659617C1

RU2659617C1 - Objects control thermographic method and device for its implementation

Info

Publication number: RU2659617C1
Application number: RU2017120903A
Authority: RU
Inventors: Юрий Иванович Головин; Дмитрий Юрьевич Головин; Эрнест Александрович Бойцов; Александр Алексеевич Самодуров; Александр Иванович Тюрин
Priority date: 2017-06-14
Filing date: 2017-06-14
Publication date: 2018-07-03

Abstract

FIELD: defectoscopy.

SUBSTANCE: group of inventions relates to the field of nondestructive testing and can be used to identify defects close to the defects in the controlled object surface. Products thermographic control method involves the controlled object area heating or cooling. Next, recording the controlled product surface degree of heating or cooling, by measuring the defective area IR radiation value in comparison to the defect-free environment heating or cooling degree. Positioning of the defective area position and its dimensions and determining the defect permissibility when using the product. Synchronizing the product and its heating source movement speed with the thermal imager shooting speed. Identifying the defect type by comparison with the similar material thermograms containing the typical defects set in the computer's database. Evaluating the temperature profile measurement results in two mutually perpendicular directions in time by at least one of the evaluation criteria, characterizing the heat flux in the measurements area. Novelty is the local load action onto the controlled area, which provokes the defect size growth. At that, the danger degree and the defect propensity to develop determination is determined by the defect's growth value by the first image (before the force action) subtraction from the second one (after the force action). Products thermographic inspection device contains the temperature field local features thermal imbalances creation device between the defective and defect-free areas of the object, at least one recording device for the thermographic images recording following one another at a time interval, and the thermal image data evaluation device. Novelty is the local load creation device in the form of measuring-power head equipped with the movable rod with indenter, interacting with the controlled sample, indenter indentation force value measuring sensor and its displacement measuring sensor mounted on the base platform motorized table, and the thermal imager in the form of IR camera enclosed into the heat-shielding or thermostatic casing.

EFFECT: expansion of functional capabilities.

6 cl, 15 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Группа изобретений относится к области измерительной техники, в частности к тепловому неразрушающему контролю объектов, и может быть использована для технической диагностики конструкций, например для выявления дефектов пленок, покрытий (в том числе внутренних покрытий металлических емкостей или трубопроводов), для обнаружения областей с теплопроводностью, сильно отличающейся от основной массы образца, в том числе в неметаллических образцах, электропроводность которых недостаточна для использования методов, основанных на создании тепловых полей пропусканием тока. Группа изобретений также может использоваться при контроле металлов и сплавов, идентификации приповерхностных дефектов в контролируемом объекте, а относится также к устройству, предназначенному для осуществления способа.The group of inventions relates to the field of measurement technology, in particular to non-destructive thermal control of objects, and can be used for technical diagnostics of structures, for example, to identify defects in films, coatings (including internal coatings of metal containers or pipelines), to detect areas with thermal conductivity, very different from the bulk of the sample, including non-metallic samples, the conductivity of which is insufficient to use methods based on the creation of field fields by passing current. The group of inventions can also be used in the control of metals and alloys, the identification of surface defects in a controlled object, and also relates to a device intended for implementing the method.

Уровень техникиState of the art

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 очень высокие 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 токов 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.Currently, blanks of electrically conductive materials, such as rolled products, rods, rods, pipes or wire made of metal materials, can serve as starting materials for high-quality finished products, and very high quality requirements are often imposed on them. Inspection of material defects, especially defects close to the surface, such as tears, shells, or other material inhomogeneities, is an important part of the quality control of these products. In this case, as a rule, they strive to carry out a continuous inspection of the entire surface of the material, with a high local resolution and as early as possible in the production chain, in order to decide on the basis of the type of detected defects whether the defects are non-critical for further processing or, at least, can be eliminated by fine-tuning, such as grinding, or the material must be rejected. In addition to the many magnetic control methods used for monitoring, such as the eddy current technique or the magnetic flux scattering technique, thermographic methods are also currently used to detect local resolution and identify defects close to the surface in controlled objects.

Из уровня техники известен способ теплового неразрушающего контроля неоднородных многослойных объектов (пат. РФ №2219534, МПК G01N 25/72, опубл. 20.12.03). Известный способ заключается в следующем. Определяют временной интервал, необходимый и достаточный для получения достоверного результата. В течение всего временного интервала измеряют периодически температуру и плотность теплового потока на наружной и внутренней поверхностях объекта. Задают произвольно и многократно значение теплопроводности нужного слоя. Используя разработанную обобщенную физико-математическую модель теплового неразрушающего контроля многослойных объектов с неоднородностями и заданное значение теплопроводности, рассчитывают для каждого заданного значения теплопроводности теоретически возможную температуру и плотность теплового потока соответственно наружной и внутренней поверхностей, проводят мгновенное тепловизионное обследование и измеряют температуры и плотности тепловых потоков соответственно на внутренней и наружной поверхностях. Сравнивают теоретически возможные значения с измеренными. Выбирают для дальнейших расчетов то значение теплопроводности из числа заданных, которое смогло обеспечить условия сравнения. Способ позволяет определить локальные сопротивления теплопередаче обследуемых участков и найти более рациональное решение по обеспечению требуемого сопротивления, если оно окажется не соответствующим нормативному.The prior art method of thermal non-destructive testing of heterogeneous multilayer objects (US Pat. RF No. 2219534, IPC G01N 25/72, publ. 20.12.03). A known method is as follows. The time interval necessary and sufficient to obtain a reliable result is determined. Throughout the entire time interval, the temperature and heat flux density are measured periodically on the outer and inner surfaces of the object. The value of the thermal conductivity of the desired layer is arbitrarily and repeatedly set. Using the developed generalized physical and mathematical model of thermal non-destructive testing of multilayer objects with inhomogeneities and a given value of thermal conductivity, theoretically possible temperature and density of the heat flux of the external and internal surfaces, respectively, are calculated for each given value of thermal conductivity, an instant thermal imaging inspection is carried out, and temperatures and heat flux densities are measured, respectively on the inner and outer surfaces. Theoretically possible values are compared with the measured ones. For further calculations, the value of thermal conductivity is selected from among the given values, which could provide the conditions for comparison. The method allows to determine local resistance to heat transfer of the studied areas and find a more rational solution to ensure the required resistance, if it does not meet the regulatory.

Однако известный способ не применим для исследования нестационарных процессов, имеющих место в реальных условиях эксплуатации зданий и сооружений, сосудов, трубопроводов.However, the known method is not applicable for the study of unsteady processes that occur in real conditions of operation of buildings and structures, vessels, pipelines.

Известен способ теплового неразрушающего контроля теплотехнических характеристик многослойных конструкций в нестационарных условиях теплопередачи (пат. РФ №2403562 по кл. G01N 25/72, опубл. 10.11.10). Известный способ заключается в следующем. Способ теплового неразрушающего контроля теплотехнических характеристик многослойных конструкций в нестационарных условиях теплопередачи включает тепловизионное обследование одной из поверхностей исследуемого объекта, сравнение теоретических и полученных измерением результатов и выбор для дальнейших расчетов значения теплопроводности из числа заданных, которое может обеспечить условия сравнения, и отличается тем, что перед тепловизионным обследованием поверхности исследуемого объекта измеряют геометрические размеры минимального дефекта контролируемой конструкции, тепловизионное обследование проводят путем измерения температурного поля T(x,y) поверхности с пространственным периодом (шагом - Δa), определяемым размерами минимального дефекта конструкции: измеряют разброс температурного поля по различным участкам исследуемой поверхности с точностью, определяемой величиной изменения температуры ΔT_деф, обусловленной минимальным дефектом конструкции, по результатам проведенных измерений определяют те участки поверхности L(x,y), в области которых выполняется условие, что разность максимальной и минимальной температур внутри исследуемой области меньше или равна величине ΔT_деф, а размер участка по исследуемой конструкции больше ее толщины, в области определенных участков L(x,y) в точке с координатами (x₀,y₀) высверливают отверстие глубиной (H₁, H₂, …, H_n) последовательно до середины каждого слоя конструкции и диаметром, определяемым щупом измерительного прибора, измеряют коэффициент теплопередачи каждого слоя конструкции (λ1(H1), λ2(H2), …, λn(Hn)), определяют сопротивление теплопередачи (R) многослойной конструкции в точке контролируемого участка поверхности исследуемого объекта с координатами (x0,y0), где H₁, H₂, …, H_n - толщины слоев конструкции, определяют термическое сопротивление по всей поверхности исследуемого объекта в произвольных координатах (x,y): R(x,y)=a T(x,y)+b, где a=[R(x₀₁,y₀₁)-R(x-02,У₀₂)]/[T[x₀₁,y₀₁)-Т(x₀₂,y₀₂)], b=R(x_0l,y_0l)-aT(x_0l,y₀₁).A known method of thermal non-destructive testing of the thermal characteristics of multilayer structures in non-stationary conditions of heat transfer (US Pat. RF No. 2403562 according to class G01N 25/72, publ. 10.11.10). A known method is as follows. The method of thermal non-destructive testing of the thermotechnical characteristics of multilayer structures under non-stationary conditions of heat transfer includes a thermal imaging examination of one of the surfaces of the object under study, comparison of theoretical and obtained by measuring results, and selection for further calculations of the thermal conductivity from among the given ones, which can provide the conditions for comparison, and differs in that thermal imaging inspection of the surface of the investigated object measure the geometric dimensions of the minimum of a defect in the controlled structure, thermal imaging inspection is carried out by measuring the temperature field T (x, y) of the surface with a spatial period (step Δa) determined by the size of the minimum structural defect: measure the temperature field spread over different parts of the surface under study with an accuracy determined by the magnitude of the temperature change ΔT _dEF caused minimal structure defect according to the results of the measurements define those surface areas L (x, y), which is performed in a mustache Ovie that the difference between the maximum and minimum temperatures within the study area less than or equal to the value ΔT _DEF and plot size of the investigated structure greater than its thickness in certain areas L (x, y) at coordinates (x _0, y ₀₎ drilled a hole with a depth of (H ₁ , H ₂ , ..., H _n ) sequentially up to the middle of each layer of the structure and with a diameter determined by the probe of the measuring device, measure the heat transfer coefficient of each layer of the structure (λ1 (H1), λ2 (H2), ..., λn (Hn )), determine the heat transfer resistance (R) of the multilayer to For instructions at a controlled surface area of the test object with the coordinates (x0, y0), where H _1, H _2, ..., H _n - thickness structure layers is determined thermal resistance across the surface of the object in arbitrary coordinates (x, y): R (x, y) = a T (x, y) + b, where a = [R (x ₀₁ , y ₀₁ ) -R (x-02, Y ₀₂ )] / [T [x ₀₁ , y ₀₁ ) - T (x ₀₂ , y ₀₂ )], b = R (x _0l , y _0l ) -aT (x _0l , y ₀₁ ).

Недостатком известного способа является его сложность.The disadvantage of this method is its complexity.

В термографическом способе контроля (DE 102007055210 А1, МПК G01N 25/72, 2007) электропроводящий контролируемый объект, например прокат, после вальцов проходит через нагружаемую высокочастотным переменным током индукционную катушку, которая индуцирует электрический ток 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 протекания индуцированного электрического тока, действуют как электрические сопротивления. Создающаяся в области структурных нарушений мощность потерь проявляется путем тепловыделения, 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 поля зрения регистрирующего устройства 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 описана контрольная установка, предназначенная для осуществления способа. Она 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 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 заданной. Однако если неоднородность имеет длину меньше минимальной, но величина разности температур лежит выше пороговой величины, такая неоднородность считается дефектом. Таким образом, дефект идентифицируется в зависимости от его длины и температурной разности относительно окружения.In the thermographic control method (DE 102007055210 A1, IPC G01N 25/72, 2007), an electrically conductive controlled object, such as rolled metal, passes through an induction coil loaded with high-frequency alternating current, which induces an electric current near the surface of the controlled object. Moreover, due to the frequency of the skin effect excitation, the current density near the surface being monitored is greater than in the bulk of the object under control. Structural disturbances, such as cuts that lie in the cross section of the flow of induced electric current, act as electrical resistances. The power of losses created in the region of structural disturbances is manifested by heat release, so that the affected locally bounded region directly at the site of the structural disturbance takes a higher temperature compared to the environment devoid of disturbances. Using a thermal imaging camera or other suitable recording device that is sensitive to thermal radiation, now, based on local temperature values within the field of view of the recording device, the presence of defects close to the surface can be detected with local resolution. As a rule, visualization of the perceived areas of the surface is also provided, and thermographically determined deviations can be automatically evaluated by the connected evaluation system. DE 102007055210 A1 describes a control unit for implementing the method. It contains an induction coil for heating a surface region of a metal controlled object passing through it, for example, rolled steel, as well as one or more infrared chambers for measuring the temperature of passing rolled steel. The measurement results are used to control the dyeing marking system to mark detected defects. According to the description, an assessment program is provided for evaluating thermographic images (thermal images) taken by infrared cameras, which analyzes the thermal image or thermal images, identifies the excess of a certain temperature threshold value and signals it as a defect. The value of the temperature difference over a predefined threshold value is considered as an indicator of the depth of the defect. Thus, the program can evaluate defects both in terms of their length and in relation to the magnitude of the temperature difference over the threshold value. The evaluation program may exclude defects of less than a specified length from the defective sheet. However, if the heterogeneity has a length less than the minimum, but the magnitude of the temperature difference lies above the threshold value, such heterogeneity is considered a defect. Thus, the defect is identified depending on its length and temperature difference relative to the environment.

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 существенной амплитуды. 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. 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.As a rule, an increase in the temperature profile relative to the environment by more than 2 K is considered as a defect, however, the threshold temperature can also be chosen lower. A temperature difference with an environment of 5 K or more is uniquely identified as a defect. As a rule, in practice, an interference signal of substantial amplitude is superimposed on the temperature profile to be evaluated. Interference sources may include, among others, local fluctuations in the emissivity of the surface of the controlled object, reflections from the environment, and general circumstances that cannot be eliminated in the real process of control, such as foreign bodies on the controlled surface. False readings can also be caused by the geometry of the controlled object. In a typical case, the temperature difference created by a gap type defect with the surrounding surface lies in the range from 1 to 10 K. Observations show that the interference amplitudes can also lie within this order of magnitude. Therefore, despite the measures that can be taken to reduce the amplitude of the interference, it is possible that the interference can be falsely classified as structural defects or defects.

Известен способ обнаружения дефекта в материале и система для этого способа (пат. РФ №2476867, МПК G01N 25/72, опубл. 27.10.2012). Дефект на поверхности или в поверхностном слое перемещающегося материала может быть обнаружен с использованием способа, содержащего стадии: нагревание поверхности материала, получение данных теплового изображения поверхности материала с использованием инфракрасной термографической камеры, в то время как поверхность материала нагревают на стадии нагревания или охлаждают после нагревания, и обнаружение дефекта путем вычисления лапласиана поля температуры поверхности, представленной данными теплового изображения. Система содержит устройство для изменения температуры поверхности материала, инфракрасную термографическую камеру для получения данных теплового изображения поверхности материала, устройство обнаружения дефекта путем вычисления лапласиана. Технический результат заключается в возможности контроля состояния листов материала и выявления дефектов с высокой точностью без зависимости от подготовки оператора и размеров дефектов, в том числе и под поверхностью материала даже в случае его перемещения.A known method for detecting a defect in a material and a system for this method (US Pat. RF No. 2476867, IPC G01N 25/72, publ. 10/27/2012). A defect on the surface or in the surface layer of the moving material can be detected using a method comprising the steps of: heating the surface of the material, obtaining thermal image data of the surface of the material using an infrared thermographic camera, while the surface of the material is heated in the heating stage or cooled after heating, and defect detection by calculating the Laplacian of the surface temperature field represented by the thermal image data. The system includes a device for changing the surface temperature of a material, an infrared thermographic camera for obtaining thermal image data of the surface of the material, a device for detecting a defect by calculating the Laplacian. The technical result consists in the possibility of monitoring the condition of the sheets of material and detecting defects with high accuracy without depending on the operator’s training and the size of the defects, including under the surface of the material even in case of its movement.

Такие способ и устройство характеризуются отсутствием возможности оценки критичности дефекта, т.е. отсутствием объективной оценки дефекта из-за невозможности прогнозирования развития дефекта при эксплуатации изделия.Such a method and device are characterized by the inability to assess the criticality of the defect, i.e. the lack of an objective assessment of the defect due to the impossibility of predicting the development of the defect during operation of the product.

Известны принятые за прототип термографический способ контроля и контрольная установка для осуществления способа (пат. РФ №2549913 С2, МПК G01N 25/72, опубл. 20.05.2014). Термографический способ контроля для выявления с локальным разрешением и идентификации близких к поверхности дефектов в контролируемом объекте содержит следующие шаги:Known adopted for the prototype thermographic control method and control installation for implementing the method (US Pat. RF No. 2549913 C2, IPC G01N 25/72, publ. 05.20.2014). The thermographic control method for detecting with local resolution and identifying defects close to the surface in the controlled object contains the following steps:

нагрев участка контролируемого объекта с созданием термического неравновесия между пораженными дефектами областями и бездефектным материалом контролируемого объекта, причем обеспечивают отсутствие нагрева бездефектного окружения дефектной области или его менее сильный нагрев, по сравнению с нагревом дефектной области;heating the site of the controlled object with the creation of thermal imbalance between the affected areas and the defect-free material of the controlled object, and ensure the absence of heating of the defect-free environment of the defective area or its less intense heating, compared with heating of the defective area;

регистрируют последовательность следующих друг за другом с временным интервалом термографических изображений в пределах фазы распространения тепла, которая начинается, когда тепловой поток от локально нагретой дефектной области становится заметным в окружении дефектной области, причем каждое термографическое изображение представляет локальное распределение температуры в зарегистрированной термографическим изображением области поверхности контролируемого объекта;register a sequence of thermographic images following each other with a time interval within the phase of heat propagation, which begins when the heat flux from the locally heated defective region becomes noticeable in the environment of the defective region, and each thermographic image represents a local temperature distribution in the recorded thermographic image of the surface area of the monitored object;

определяют из термографических изображений расположенные в правильном позиционном положении температурные профили, причем температурный профиль является профилем с локальным разрешением, в котором к различным позициям в пределах температурного профиля относят измеренную величину, представляющую температуру в соответствующей позиции, при этом каждый расположенный в правильном позиционном положении температурный профиль относится к одной и той же области измерений поверхности контролируемого объекта;the temperature profiles located in the correct positional position are determined from the thermographic images, the temperature profile being a local resolution profile in which the measured value representing the temperature in the corresponding position is assigned to different positions within the temperature profile, with each temperature profile located in the correct positioning position refers to the same area of measurement of the surface of the controlled object;

определяют из температурных профилей для множества зарегистрированных температурными профилями позиций измерений в области измерений диаграммы изменения во времени температурных значений;determine from the temperature profiles for a plurality of measurement positions recorded by the temperature profiles in the measurement region of the diagram of the change in time of the temperature values over time;

и оценивают диаграммы изменения во времени по меньшей мере по одному из критериев оценки, характеризующему тепловой поток в области измерений.and evaluate the diagrams of changes in time by at least one of the evaluation criteria characterizing the heat flux in the measurement area.

Для указанной оценки определяют, по меньшей мере, один локальный максимум температурных значений в пределах температурного профиля.For this assessment, at least one local maximum of temperature values within the temperature profile is determined.

Оценивают процесс изменения во времени амплитуды температурных значений в области локального максимума.The process of change in time of the amplitude of temperature values in the region of a local maximum is estimated.

При оценке определяют величину концентрации тепла в области локального максимума температурных значений в пределах температурного профиля и оценивают процесс изменения во времени величины концентрации количества тепла.During the assessment, the value of the heat concentration in the region of the local maximum of temperature values within the temperature profile is determined and the process of the change in time of the amount of heat concentration is evaluated.

При оценке рассматривают совместно, по меньшей мере, три, предпочтительно от четырех до двадцати расположенных в правильном позиционном положении температурных профилей.In the evaluation, at least three, preferably from four to twenty temperature profiles located in the correct position are considered together.

Создают для контроля длинномерного контролируемого объекта относительное движение между контролируемым объектом и регистрирующим устройством для регистрации термографических изображений, предпочтительно в направлении движения, параллельном продольному направлению контролируемого объекта, таким образом, что регистрируемые термографическими изображениями области поверхности смещены относительно друг друга в направлении движения, причем области поверхности снятых непосредственно друг за другом термографических изображений предпочтительно перекрываются в области перекрытия.To control a long-sized controlled object, a relative motion is created between the controlled object and a recording device for recording thermographic images, preferably in the direction of movement parallel to the longitudinal direction of the controlled object, so that the recorded surface areas are offset relative to each other in the direction of movement, and the surface area thermographic images taken directly one after another respectfully overlap in the overlap area.

Регистрирующее устройство установлено неподвижно, а длинномерный контролируемый объект перемещают относительно регистрирующего устройства.The recording device is fixedly mounted, and the lengthy monitored object is moved relative to the recording device.

Выполняют следующие шаги: анализируют зарегистрированное в первый момент времени первое термографическое изображение последовательности термографических изображений для идентификации по меньшей мере одного первого найденного участка изображения, который содержит участок поверхности с похожим на дефект отклонением; автоматически определяют соответствующий первому участку изображения второй участок изображения во втором термографическом изображении, зарегистрированном в более поздний второй момент времени с временным интервалом после первого термографического изображения; совместно оценивают термографические данные первого участка изображения и второго участка изображения; при этом предпочтительно при идентификации похожих на дефекты отклонений определяют локальный максимум температурных значений в пределах температурных профилей.The following steps are performed: analyze the first thermographic image recorded at the first instant of time of the sequence of thermographic images to identify at least one first found image portion that contains a surface portion with a defect-like deviation; automatically determining the second image portion corresponding to the first image portion in the second thermographic image recorded at a later second point in time with a time interval after the first thermographic image; jointly evaluating the thermographic data of the first image portion and the second image portion; while preferably, when identifying defect-like deviations, a local maximum of temperature values is determined within the temperature profiles.

Для автоматического определения определяют ожидаемое положение участка поверхности, содержащего похожее на дефект отклонение, 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, причем предпочтительно измеряют относительную скорость, в частности скорость контролируемого объекта.For automatic determination, the expected position of the surface area containing the defect-like deviation is determined in the second thermographic image based on the relative speed between the controlled object and the recording device of the direction of movement and the time elapsed between the first time and the second time, and the relative speed is preferably measured, in particular, the speed of the controlled object.

Такой способ характеризуется необходимостью оценки множества диаграмм, что делает процесс дефектоскопии длительным по времени и сложным в исполнении. Кроме того, он непригоден для контроля неметаллических материалов.This method is characterized by the need to evaluate many diagrams, which makes the process of flaw detection long in time and difficult to perform. In addition, it is not suitable for the control of non-metallic materials.

В качестве прототипа устройства принята термографическая контрольная установка для выявления с локальным разрешением и идентификации близких к поверхности дефектов в контролируемом объекте (пат. РФ №2549913 С2, МПК G01N 25/72, опубл. 20.05.2014), содержащая: нагревательное устройство для нагрева участка контролируемого объекта таким образом, что создается термическое неравновесие между пораженными дефектами дефектными областями и бездефектным материалом объекта, причем бездефектное окружение дефектной области не нагревается или нагревается менее сильно, чем дефектная область; 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 для оценки термографических данных по термографическим изображениям, причем контрольная установка выполнена с возможностью осуществления способа по любому из предыдущих пунктов.As a prototype of the device adopted thermographic control unit for detecting with local resolution and identification of defects close to the surface in a controlled object (US Pat. RF No. 2549913 C2, IPC G01N 25/72, publ. 05.20.2014), containing: a heating device for heating the site of the controlled object in such a way that a thermal imbalance is created between the defective areas affected by the defects and the defect-free material of the object, and the defect-free environment of the defective area does not heat up or heats up e strongly than the defective area; at least one recording device for recording a sequence of at least two thermographic images following each other at a time interval; and a device for evaluating thermographic data from thermographic images, and the control unit is configured to implement the method according to any one of the preceding paragraphs.

Недостаточная оперативность осуществления из-за необходимости проведения сравнения по меньшей мере двух измерений температурного поля и невозможность оценки вероятности развития дефекта и степени его опасности для дальнейшей эксплуатацииThe lack of efficiency of implementation due to the need to compare at least two measurements of the temperature field and the inability to assess the likelihood of a defect and its degree of danger for further operation

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей термографического способа контроля и способной осуществлять термографический способ контроля образцов, которые по сравнению с существующим уровнем техники обеспечивают возможность обнаружения дефектов как электропроводящих материалов, так и диэлектриков, причем термографический контроль можно осуществлять как при нагреве, так и при охлаждении исследуемых образцов.The technical result consists in expanding the functionality of the thermographic control method and capable of carrying out a thermographic method for controlling samples, which, in comparison with the current level of technology, provide the ability to detect defects of both electrically conductive materials and dielectrics, and thermographic control can be carried out both during heating and cooling test samples.

Другим техническим результатом является обеспечение возможности оценки критичности дефекта, т.е. прогнозирования его развития в процессе эксплуатации изделия из проверяемого материала.Another technical result is the ability to assess the criticality of the defect, i.e. predicting its development during the operation of the product from the material being tested.

Технические результаты по объекту «способ» достигаются в термографическом способе контроля изделий, содержащем следующие шаги: нагревают либо охлаждают участок контролируемого объекта; регистрируют степень нагрева или охлаждения поверхности контролируемого изделия, замеряя величину испускаемого ИК-излучения дефектной области по сравнению со степенью нагрева или охлаждения бездефектного окружения; позиционируют положение дефектной области и ее габариты и определяют допустимость дефекта при использовании изделия; синхронизируют скорость перемещения изделия и источника его нагрева со скоростью съемки тепловизором; идентифицируют вид дефекта путем сравнения с термограммами аналогичного материала, содержащего набор типовых дефектов в базе данных компьютера.Technical results for the “method” object are achieved in the thermographic method of product control, containing the following steps: heat or cool the area of the controlled object; register the degree of heating or cooling of the surface of the controlled product, measuring the value of the emitted infrared radiation of the defective region in comparison with the degree of heating or cooling of the defect-free environment; Position the position of the defective area and its dimensions and determine the admissibility of the defect when using the product; synchronize the speed of the product and the source of its heating with the speed of the imager; identify the type of defect by comparing with thermograms of a similar material containing a set of typical defects in the computer database.

Новым в термографическом способе контроля изделий является воздействие на контролируемый участок локальной нагрузкой, провоцирующей рост размера дефекта, при этом определение степени опасности и склонности дефекта к развитию определяют величиной роста дефекта путем вычитания первого изображения (до силового воздействия) из второго (после силового воздействия).New in the thermographic method of product control is the local load acting on the controlled area, which provokes an increase in the size of the defect, while determining the degree of danger and the tendency of the defect to develop is determined by the defect growth by subtracting the first image (before the force effect) from the second (after the force effect).

При анализе последовательности термограмм оценивают локальный максимум температурных значений в пределах температурного профиля и регистрируют процесс изменения во времени амплитуды температурных значений в области локального максимума.When analyzing the sequence of thermograms, the local maximum of temperature values is estimated within the temperature profile and the process of change in time of the amplitude of temperature values in the region of the local maximum is recorded.

Технические результаты по объекту «устройство» достигаются в устройстве термографического контроля изделий, содержащем устройство для создания термического неравновесия локальных особенностей температурного поля между дефектными и бездефектными областями объекта и по меньшей мере одно регистрирующее устройство для регистрации термографических изображений, следующих друг за другом с временным интервалом, и устройство оценки данных термографических изображений. Отличие заключается в том, что устройство дополнительно содержит устройство для создания локальной нагрузки в виде измерительно-силовой головки с установленными в ней датчиком измерения смещения и датчиком измерения величин действующих сил индентором, взаимодействующим с контролируемым образцом, установленным на моторизованном столе базовой платформы, и тепловизора в виде ИК-камеры, заключенной в теплозащитный либо термостатируемый кожух.Technical results for the object “device” are achieved in a device for thermographic control of products, comprising a device for creating thermal imbalance of local features of the temperature field between the defective and defect-free areas of the object and at least one recording device for recording thermographic images following each other with a time interval, and an apparatus for evaluating thermographic image data. The difference lies in the fact that the device additionally contains a device for creating a local load in the form of a measuring and power head with a displacement measuring sensor and a force measuring sensor installed in it, an indenter interacting with a controlled sample mounted on a motorized table of the base platform, and a thermal imager in in the form of an IR camera enclosed in a heat-shielding or thermostatic casing.

При этом измерительно-силовая головка с датчиком измерения смещения и датчиком измерения величин действующих сил, моторизованный стол, ИК-камера, сопряженные с контроллерным блоком, соединены с персональным компьютером.In this case, the measuring and power head with a displacement measurement sensor and a sensor for measuring the values of the acting forces, a motorized table, an IR camera, coupled to the controller unit, are connected to a personal computer.

Для решения этих задач в соответствии с изобретением создан термографический способ контроля, обладающий признаками по п. 1 формулы изобретения, и предназначенное для осуществления способа термографическое контрольное устройство, обладающее признаками по п. 4 формулы изобретения. Предпочтительные решения по развитию группы изобретений 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 подводится таким образом, что создается термическое неравновесие между дефектными областями или местами с изъянами и бездефектным материалом контролируемого объекта. 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, лазерного облучения и высокочастотного нагрева.To solve these problems, in accordance with the invention, a thermographic control method having the features of claim 1 and a thermographic control device having the features of claim 4 of the invention is provided. Preferred solutions for developing a group of inventions are set forth in the dependent claims. The text of all claims is based on the content of the description. In the control method, the area of the object to be monitored is exposed to a heating device. In the future, this will be briefly called "heating." In this case, the heating energy is supplied in such a way that a thermal imbalance is created between the defective areas or places with flaws and defect-free material of the controlled object. For electrically conductive controlled objects, such as rolled metal, rods, wire and the like, for example, an inductive method can be used for heating. The input of thermal energy into defective areas of the controlled object can also be carried out using ultrasound, laser irradiation and high-frequency heating.

Заявляемый способ термографического контроля для выявления с локальным разрешением и идентификацией близких к поверхности дефектов в контролируемом объекте содержит следующие шаги: нагревают либо охлаждают участок контролируемого объекта, причем контролирующий прибор (тепловизор) защищают от нагрева, помещая его в теплозащитный либо термостатируемый кожух; регистрируют степень нагрева или охлаждения поверхности контролируемого изделия, замеряя величину ИК-излучения дефектной области по сравнению со степенью нагрева или охлаждения бездефектного окружения; позиционируют положение дефектной области и ее габариты и определяют допустимость дефекта при использовании изделия; синхронизируют скорость перемещения изделия со скоростью съемки тепловизора; идентифицируют вид дефекта путем сравнения с термограммами аналогичного материала в базе данных компьютера и оценивают результаты измерения профиля диаграммы изменения во времени по меньшей мере по одному из критериев оценки, характеризующему тепловой поток в области измерений, обеспечивает:The inventive method of thermographic control for detecting with local resolution and identification of defects close to the surface in the controlled object contains the following steps: heats or cools the portion of the controlled object, and the control device (thermal imager) is protected from heating by placing it in a heat-shielding or thermostatically controlled casing; register the degree of heating or cooling of the surface of the controlled product, measuring the amount of infrared radiation of the defective region in comparison with the degree of heating or cooling of a defect-free environment; Position the position of the defective area and its dimensions and determine the admissibility of the defect when using the product; synchronize the speed of the product with the speed of the imager; identify the type of defect by comparison with thermograms of similar material in the computer database and evaluate the results of measuring the profile of the diagram of changes in time according to at least one of the evaluation criteria characterizing the heat flux in the measurement area, provides:

- расширение функциональных возможностей контроля за счет использования способов нагрева, не связанных с электропроводностью исследуемого объекта;- expanding the functionality of the control through the use of heating methods not related to the electrical conductivity of the investigated object;

- возможность контроля многослойных изделий и изделий, дефекты которых находятся на недоступных визуальному контролю участках, например на внутренних поверхностях труб и аппаратов;- the ability to control multilayer products and products whose defects are located in areas inaccessible to visual inspection, for example, on the inner surfaces of pipes and apparatuses;

- высокую разрешающую способность контроля и достоверность измерений за счет использования теплозащитного кожуха, устраняющего помехи и ложные сигналы, и простоту калибровки тепловизора.- high resolution control and reliability of measurements through the use of a heat-shielding casing that eliminates interference and false signals, and the simplicity of calibration of the thermal imager.

Определение для оценки, по меньшей мере, одного локального максимума температурных значений в пределах температурного профиля обеспечивает сокращение продолжительности проверки.The determination to evaluate at least one local maximum of the temperature values within the temperature profile reduces the duration of the test.

Оценка процесса изменения во времени амплитуды температурных значений в области локального максимума позволяет получать данные о геометрических характеристиках дефекта.Evaluation of the process of the change in time of the amplitude of temperature values in the region of the local maximum allows obtaining data on the geometric characteristics of the defect.

Выполнение следующих шагов: анализ зарегистрированной последовательности термографических изображений для идентификации по меньшей мере одного первого найденного участка изображения, содержащего участок поверхности с похожим на дефект отклонением; автоматическое сопоставление первому участку изображения участка изображения в последующем термографическом изображении; совместная оценка термографических данных первого участка изображения и последующих участков изображения; при этом предпочтительно при идентификации похожих на дефекты отклонений определение локального максимума температурных значений в пределах температурных профилей позволяет автоматизировать процесс контроля и регистрацию результатов с помощью ПК.Performing the following steps: analyzing a recorded sequence of thermographic images to identify at least one first found image portion containing a surface portion with a defect-like deviation; automatic matching of the first image portion of the image portion in the subsequent thermographic image; joint assessment of thermographic data of the first image section and subsequent image sections; while preferably, when identifying defect-like deviations, determining the local maximum of temperature values within the temperature profiles makes it possible to automate the control process and recording results using a PC.

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 и графические материалы описаны примеры осуществления изобретения.These and other features will be apparent both from the claims and from the following description with reference to the drawings, the individual features being used individually or in various combinations in the embodiments of the invention and in other areas, and may represent advantageous and protectable embodiments . Next, with reference to the accompanying drawings and drawings, examples of carrying out the invention are described.

Перечень чертежей и графических материалов,The list of drawings and graphic materials,

на фиг. 1 показано устройство для термографического контроля объектов;in FIG. 1 shows a device for thermographic monitoring of objects;

на фиг. 2 показана схема выявления возможных дефектов изделия: а) отложение, загрязнение на поверхности; б) отслоение защитного покрытия; в) расслой; г) инородное включение; д) осадок, налет внутри аппарата, сосуда, трубы; е) повреждение (деградация, утоньшение внутреннего защитного покрытия);in FIG. 2 shows a diagram for identifying possible defects in the product: a) deposition, pollution on the surface; b) peeling off the protective coating; c) the spacing; d) foreign inclusion; d) sediment, plaque inside the apparatus, vessel, pipe; f) damage (degradation, thinning of the internal protective coating);

на фиг. 3 показана разность тепловых полей до и после нагревания металлической подложки с кусочком скотча размером 1×1.5 мм теплым воздухом в течение 10 с;in FIG. Figure 3 shows the difference in thermal fields before and after heating a metal substrate with a piece of adhesive tape 1 × 1.5 mm in size with warm air for 10 s;

на фиг. 4 показан температурный профиль на линии, показанной на фиг. 3;in FIG. 4 shows the temperature profile on the line shown in FIG. 3;

на фиг. 5 показана разность тепловых полей до и после нагревания образца с локальным отслоением пленки от металлической подложки теплым воздухом в течение 10 с;in FIG. 5 shows the difference in thermal fields before and after heating the sample with local exfoliation of the film from the metal substrate with warm air for 10 s;

на фиг. 6 показан температурный профиль на линии, показанной на фиг. 5;in FIG. 6 shows the temperature profile on the line shown in FIG. 5;

на фиг. 7 показана разность тепловых распределений на стенке заполненного холодной водой сосуда сразу после окончания нагрева теплым воздухом в течение 1 минуты и через 15 секунд после этого момента. Стенка представляет собой металл толщиной ~1 мм, на внутреннюю поверхность которого наклеен кусочек пористой резины размерами 1 см × 1.5 см × 1 мм;in FIG. 7 shows the difference in thermal distributions on the wall of a vessel filled with cold water immediately after heating with warm air for 1 minute and 15 seconds after this moment. The wall is a metal ~ 1 mm thick, on the inner surface of which a piece of porous rubber with a size of 1 cm × 1.5 cm × 1 mm is glued;

на фиг. 8 показан температурный профиль на линии, показанной на фиг. 7;in FIG. 8 shows the temperature profile on the line shown in FIG. 7;

на фиг. 9 показано ожидаемое перераспределение теплового поля от наличия дефекта типа трещины;in FIG. 9 shows the expected redistribution of the thermal field from the presence of a crack-type defect;

на фиг. 10 показана разность тепловых полей непосредственно до и после прохождения прямоугольного импульса тока длительностью 25 мс по стальной пластине с круглым отверстием диаметром 1.5 мм;in FIG. 10 shows the difference in thermal fields immediately before and after the passage of a rectangular current pulse of 25 ms duration over a steel plate with a round hole with a diameter of 1.5 mm;

на фиг. 11 показан температурный профиль на линии, показанной на фиг. 10;in FIG. 11 shows the temperature profile on the line shown in FIG. 10;

на фиг. 12 показана разность тепловых полей непосредственно до и после прохождения прямоугольного импульса тока длительностью 100 мс по стальной пластине с перпендикулярным прорезом длиной около 3 мм. Приведены изотермы 0.5 (синяя), 1 (зеленая) и 1.5 (красная) градусов;in FIG. 12 shows the difference in thermal fields immediately before and after the passage of a rectangular current pulse of 100 ms duration over a steel plate with a perpendicular slot of about 3 mm in length. The isotherms of 0.5 (blue), 1 (green) and 1.5 (red) degrees are shown;

на фиг. 13 показан температурный профиль на линии, показанной на фиг. 12;in FIG. 13 shows the temperature profile on the line shown in FIG. 12;

на фиг. 14 показана блок-схема лабораторного макета прибора для термографического контроля объектов;in FIG. 14 shows a block diagram of a laboratory model of a device for thermographic monitoring of objects;

на фиг. 15 показана последовательность операций термографического контроля.in FIG. 15 shows a flow chart of thermal control.

Термографическая контрольная установка содержит:Thermographic control unit contains:

1 - Измерительно-силовая головка;1 - Measuring and power head;

2 - Датчик измерения величин действующих сил;2 - Sensor measuring the magnitude of the acting forces;

3 - Несущая конструкция прибора;3 - The supporting structure of the device;

4 - Моторизованный стол;4 - Motorized table;

5 - Образец;5 - Sample;

6 - Контроллерный блок управления;6 - controller control unit;

7 - Персональный компьютер;7 - Personal computer;

8 - Шаговый двигатель8 - Stepper motor

9 - Нагреватель;9 - Heater;

10 - ИК-камера.10 - IR camera.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Данный способ позволяет проводить тестирование металлов, сплавов, пленочных покрытий, сварных и клеевых швов, композитов с выявлением микроструктуры и дефектной структуры. Обработка полученных данных позволяет проводить построение дефектной карты, распределения полей напряженности и деформаций, наработку статистического материала, необходимого для экспертной системы прогнозирования сроков службы и остаточного ресурса изделий.This method allows testing of metals, alloys, film coatings, welded and adhesive joints, composites with the identification of microstructure and defective structure. Processing the obtained data allows the construction of a defective map, distribution of stress and strain fields, and the production of statistical material necessary for an expert system for predicting the service life and residual life of products.

На фиг. 14 показана блок-схема лабораторного макета прибора, состоящего из измерительно-силовой головки 1, датчика измерения величин действующих сил 2, закрепленных на несущей конструкции прибора 3, содержащей моторизованный стол 4 с закрепленным образцом 5. Контроллерный блок управления 6 соединен с персональным компьютером 7, шаговым двигателем 8, нагревателем 9 и ИК-камерой 10.In FIG. 14 shows a block diagram of a laboratory model of the device, consisting of a measuring and power head 1, a sensor for measuring the values of the acting forces 2, mounted on a supporting structure of the device 3, containing a motorized table 4 with a fixed sample 5. The controller control unit 6 is connected to a personal computer 7, stepper motor 8, heater 9 and infrared camera 10.

В данном примере измерительно-силовая головка 1 закреплена на микроскопе типа ИМЦЛ 150×75. Перемещение моторизованного стола 4 осуществляется в двух взаимно перпендикулярных направлениях шаговыми двигателями 8 по командам персонального компьютера 7 через контроллерный блок 6. Посредством нагревателя 9 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.In this example, the measuring force head 1 is mounted on a microscope type IMTsL 150 × 75. The movement of the motorized table 4 is carried out in two mutually perpendicular directions by the stepper motors 8 according to the instructions of the personal computer 7 through the controller unit 6. By means of the heater 9, the entire system “controlled object / defect” is brought into thermal disequilibrium. Using the control method, one can observe both in space and in the time domain how the system tends to the state of thermal equilibrium.

Для этого контрольная установка содержит чувствительное к тепловому излучению регистрирующее устройство - тепловизор FLIR A35sc 10 с локальным разрешением для съемки двухмерных термографических изображений, которые могут сниматься с высокой частотой до 60 изображений в секунду (кадров в секунду). Регистрирующее устройство, в дальнейшем называемое также «тепловизором», соединено с персональным компьютером 7 через контроллерный блок управления 6, которое служит для управления съемкой изображений и для приема и обработки термографических данных, содержащихся в термографических изображениях и передачи данных на персональный компьютер 7 для обработки и хранения результатов измерений.To do this, the control unit contains a heat-sensitive recording device - a FLIR A35sc 10 thermal imager with local resolution for capturing two-dimensional thermographic images that can be shot at a high frequency of up to 60 images per second (frames per second). The recording device, hereinafter also referred to as the "thermal imager", is connected to the personal computer 7 through the controller control unit 6, which serves to control the shooting of images and to receive and process thermographic data contained in the thermographic images and transfer data to the personal computer 7 for processing and storage of measurement results.

Для повышения надежности работы ИК-камера помещена в термостабилизированный или термоизолирующий бокс, как показано на фиг. 1, предназначенный для защиты тепловизора от помех, в том числе от ИК-излучения объекта.To increase the reliability of operation, the IR camera is placed in a thermostabilized or thermally insulating box, as shown in FIG. 1, designed to protect the thermal imager from interference, including infrared radiation of the object.

Для расширения функциональных возможностей измерительно-силовая головка 1 снабжена нагружающим устройством с усилием до 200 Н, выполненным в виде штока, соединенного с шаговым двигателем через винтовую передачу.To expand the functionality of the measuring and power head 1 is equipped with a loading device with a force of up to 200 N, made in the form of a rod connected to a stepper motor through a helical gear.

В персональном компьютере 7 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 10 может визуализировать наличие и некоторые свойства структурных нарушений, и эти нерегулярности могут автоматически оцениваться с помощью соответствующих средств обработки изображений в данной системе обработки в персональном компьютере 7.In the personal computer 7, a computer-based image processing system is integrated, configured to evaluate, according to various criteria, thermographic data obtained from thermographic images. Based on temperature values or based on local heat radiation, such a thermal imaging camera 10 can visualize the presence and some properties of structural disturbances, and these irregularities can be automatically estimated using appropriate image processing tools in this processing system in a personal computer 7.

Важным в работе с ИК камерой является синхронизация захвата изображения с работой нагревателя 9. Для этого в персональный компьютер 7 заложена специальная программа синхронизации.Important in working with an IR camera is the synchronization of image capture with the operation of heater 9. For this, a special synchronization program is installed in personal computer 7.

Принципиальная схема метода ИК-контроля состоит в захвате ИК изображения объекта, нагретого с помощью ИК облучения, потока горячего воздуха или другого теплоносителя (см. фиг. 1, 2 и 9), с последующим анализом. Для устранения влияния тепловых полей на параметры работы камеры и получаемой от исследуемого объекта тепловизионной картины она помещается в термостабилизированный бокс.Schematic diagram of the IR control method consists in capturing an IR image of an object heated by IR irradiation, a stream of hot air or other coolant (see Fig. 1, 2 and 9), followed by analysis. To eliminate the influence of thermal fields on the parameters of the camera and the thermal imaging picture obtained from the object under study, it is placed in a thermostabilized box.

Примеры использования устройстваDevice Usage Examples

Нестационарные тепловые поля с подводом тепла перпендикулярно поверхностиUnsteady heat fields with heat supply perpendicular to the surface

Поля такого типа использовали для обнаружения «двумерных» дефектов, лежащих в плоскости поверхности исследуемого образца, в частности дефектов пленок, покрытий, в том числе покрытий обратной (невидимой и недоступной) стороны изучаемой металлической стенки емкости или трубопровода, заполненного жидкостью, а также отложений с обратной стороны и, возможно, существенных изменений толщины самой стенки (см. фиг. 2). Тепловое поле создавали путем равномерного подвода тепловой энергии к исследуемой поверхности. Могут использоваться различные способы подвода тепла, в частности теплым воздухом, облучением светом или инфракрасным излучением. Для емкостей или трубопроводов, заполненных жидкостью с температурой, большей чем температура окружающей среды, возможно детектирование с помощью анализа нестационарного теплового поля, создаваемого путем интенсификации теплосъема посредством обдува стенки воздухом с температурой окружающей среды. Каждый из таких способов имеет свои особенности как в реализации, так и в получающихся распределениях температуры, однако принципиальные различия незначительны. Подход позволяет детектировать локальные особенности тепловых характеристик приповерхностного слоя исследуемого образца, в частности, образование отслоений различных покрытий на металлическом образце за счет образования воздушной прослойки с очень малой теплопроводностью, а также локальные неоднородности теплопроводности тонких стенок емкостей, содержащих большие объемы жидкостей. Например, уменьшение толщины стенки трубопровода, уменьшение толщины защитного покрытия на внутренней поверхности емкостей для агрессивных жидкостей, образование внутренних отложений на таких стенках и т.п.Fields of this type were used to detect “two-dimensional” defects lying in the plane of the surface of the test sample, in particular defects in films, coatings, including coatings on the back (invisible and inaccessible) side of the studied metal wall of the tank or pipeline filled with liquid, as well as deposits with the reverse side and, possibly, significant changes in the thickness of the wall itself (see Fig. 2). A thermal field was created by uniformly supplying thermal energy to the surface under study. Various methods of supplying heat may be used, in particular warm air, light irradiation or infrared radiation. For tanks or pipelines filled with a liquid with a temperature higher than the ambient temperature, it is possible to detect by analyzing an unsteady thermal field created by intensifying heat removal by blowing the wall with air at ambient temperature. Each of these methods has its own peculiarities both in the implementation and in the resulting temperature distributions, however, the fundamental differences are insignificant. The approach allows one to detect local features of the thermal characteristics of the surface layer of the test sample, in particular, the formation of delamination of various coatings on a metal sample due to the formation of an air gap with very low thermal conductivity, as well as local thermal conductivity inhomogeneities of thin walls of containers containing large volumes of liquids. For example, reducing the wall thickness of the pipeline, reducing the thickness of the protective coating on the inner surface of containers for aggressive liquids, the formation of internal deposits on such walls, etc.

а) Локальное наслоение депозитовa) Local layering of deposits

Используется как модель локального изменения теплопередачи на участке поверхности. Основное свойство - хорошо известная геометрия дефекта, измеряемая под оптическим микроскопом. В отличие от реального отслоя границы дефекта резкие, а их положение легко определяется. В качестве образца используется кусочек скотча прямоугольной формы размером ~1×1 мм, наклеиваемый на стальную пластину толщиной ~2 мм. Подвод тепла осуществляется потоком теплого воздуха с температурой около 40°C (см. фиг. 2а).It is used as a model of local changes in heat transfer on a surface area. The main property is the well-known defect geometry, measured under an optical microscope. In contrast to the real detachment, the boundaries of the defect are sharp, and their position is easily determined. A piece of rectangular tape ~ 1 × 1 mm in size, glued to a steel plate ~ 2 mm thick, is used as a sample. Heat is supplied by a stream of warm air with a temperature of about 40 ° C (see Fig. 2a).

На фиг. 3 показана разность тепловых полей до и после нагревания в течение 10 с, на фиг. 4 - профиль разности температур на показанном отрезке.In FIG. 3 shows the difference in thermal fields before and after heating for 10 s, FIG. 4 - profile of the temperature difference in the shown segment.

Таким образом, модель демонстрирует возможности метода по обнаружению тонких наслоений депозита из плохо проводящих тепло материалов (накипи, парафинов, солевых отложений) на металлической подложке с хорошей чувствительностью даже при использовании потока воздуха весьма умеренной температуры (60-80°C), а также способность тепловизора и простой методики обработки изображения определять линейные размеры дефекта с четкими границами с точностью 1-2 пикселя (что при максимальном увеличении составляет около 0.1 мм).Thus, the model demonstrates the capabilities of the method for detecting thin deposits of deposits from poorly heat-conducting materials (scale, paraffins, salt deposits) on a metal substrate with good sensitivity even when using an air stream of very moderate temperature (60-80 ° C), as well as the ability a thermal imager and a simple image processing technique to determine the linear dimensions of a defect with clear boundaries with an accuracy of 1-2 pixels (which at a maximum magnification is about 0.1 mm).

б) Локальный отслой покрытияb) Local coating detachment

Пример отслоя покрытия создается методом индентирования пленки, нанесенной на металлическую подложку. При внедрении индентора в зоне деформирования происходит отслоение материала пленки от подложки. В нашем случае рассмотрен созданный отслой порядка нескольких мм диаметром. Остальные условия эксперимента совпадают с вариантом а) (см. фиг. 2б). Вследствие переменной толщины воздушной прослойки, плавно сходящей к нулю на периферии дефекта, четкие границы отсутствуют, что и наблюдается в распределениях температуры. На фиг. 5 показана разность тепловых полей до и после нагревания в течение 10 с, на фиг. 6 - профиль разности температур на показанном зеленом отрезке. Хотя в процессе нагрева от нескольких секунд до сотен секунд температуры как поверхности отслоя, так и бездефектной поверхности изменяются, положение и ширина области быстрого изменения температуры (как на уровне 20%, так и на уровнях 50% и 80% от максимума по сравнению с бездефектной поверхностью) остаются практически постоянными. Несколько большая точность измерения размера обеспечивается при использовании уровня 50% от максимума.An example of a coating detachment is created by indenting a film deposited on a metal substrate. When the indenter is introduced into the deformation zone, the film material exfoliates from the substrate. In our case, the created detachment of the order of several mm diameter is considered. The remaining experimental conditions coincide with option a) (see Fig. 2b). Due to the variable thickness of the air gap, gradually descending to zero at the periphery of the defect, there are no clear boundaries, which is observed in temperature distributions. In FIG. 5 shows the difference in thermal fields before and after heating for 10 s, FIG. 6 is a profile of a temperature difference in the green section shown. Although during heating from several seconds to hundreds of seconds the temperatures of both the detachment surface and the defect-free surface change, the position and width of the region of rapid temperature change (both at the level of 20% and at the levels of 50% and 80% of the maximum compared to the defect-free surface) remain almost constant. Slightly greater dimensional accuracy is provided by using a level of 50% of maximum.

в) Локальные дефекты с обратной (невидимой и недоступной) стороны металлический стенки, находящейся в контакте с жидкостью. Для демонстрации возможности обнаружения дефектов покрытия, находящегося на недоступной стороне стенки контейнера, содержащего жидкость, использовалась металлическая емкость с толщиной стенки около 1 мм, заполненная теплой либо холодной водой (см. фиг. 2д и 2е). В качестве покрытия использовался слой пористой резины толщиной около 1 мм. Проводились опыты как с нанесением покрытия на всю изучаемую поверхность за исключением прямоугольной области размерами около 1×2 см (моделирование нарушения покрытия), так и нанесение покрытия только в аналогичной области 1×2 см (моделирование локального образования слоя накипи и т.п.).c) Local defects on the reverse (invisible and inaccessible) side of the metal wall in contact with the liquid. To demonstrate the possibility of detecting defects in the coating located on the inaccessible side of the wall of the container containing the liquid, a metal container with a wall thickness of about 1 mm filled with warm or cold water was used (see Figs. 2e and 2e). A layer of porous rubber with a thickness of about 1 mm was used as a coating. Experiments were carried out both with coating the entire surface under study with the exception of a rectangular region of about 1 × 2 cm in size (simulation of coating disturbance), and coating only in a similar region of 1 × 2 cm (modeling of local scale formation, etc.) .

На фиг. 7 показан пример разности тепловых распределений температурных полей на такой стенке сразу после окончания нагрева теплым воздухом в течение 1 минуты и через 15 секунд после этого момента. Объект - вышеописанный сосуд с холодной водой, на внутренней стенке которого наклеен кусочек резины размером 1×2 см. На фиг. 8 - профиль разности температур на показанном зеленом отрезке.In FIG. Figure 7 shows an example of the difference in the thermal distributions of temperature fields on such a wall immediately after the end of heating with warm air for 1 minute and 15 seconds after this moment. The object is the above-described vessel with cold water, on the inner wall of which a piece of rubber 1 × 2 cm in size is glued. FIG. 8 is a profile of a temperature difference in the green section shown.

Стационарные градиентные тепловые поляStationary gradient thermal fields

Поля такого типа можно использовать для обнаружения областей с теплопроводностью, сильно отличающейся от основной массы образца, в том числе в металлических и неметаллических образцах (включая сварные и клеевые швы и соединения) и композитах, электропроводность которых недостаточна для использования методов, основанных на создании тепловых полей импульсом тока (см. фиг. 9а и 9в).Fields of this type can be used to detect areas with thermal conductivity that is very different from the bulk of the sample, including in metal and nonmetallic samples (including welded and adhesive joints and joints) and composites whose conductivity is insufficient to use methods based on the creation of thermal fields current pulse (see Figs. 9a and 9c).

В качестве примера демонстрации работы рассмотрим объект, представляющий собой металлическую пластину с круглым отверстием диаметром около 2 мм. В пластине создавался градиент температуры несколько градусов на сантиметр. Отклонения от невозмущенного распределения температуры в таких условиях менее 1 градуса, что близко к пределу чувствительности камеры. Такие отклонения регистрируются не вполне уверенно как ввиду шумов от пикселя к пикселю, составляющих примерно 0.2 градуса, так и ввиду макроскопических неоднородностей свойств поверхности, условий паразитного теплосъема с нее и др.As an example of a demonstration of work, consider an object that is a metal plate with a round hole with a diameter of about 2 mm. A temperature gradient of several degrees per centimeter was created in the plate. Deviations from the unperturbed temperature distribution in such conditions are less than 1 degree, which is close to the sensitivity limit of the camera. Such deviations are not recorded with certainty, both due to noise from pixel to pixel, which is approximately 0.2 degrees, and due to macroscopic inhomogeneities of the surface properties, conditions of spurious heat removal from it, etc.

Теоретическая оценка возмущения теплового поля для такой задачи, проведенная с помощью конформного отображения Жуковского, дает распределение вдоль оси, направленной по направлению невозмущенного градиента и проходящей через центр отверстия, a*(x+r^2/x) с более теплой стороны, и a*(x-r^2/x) с более холодной стороны отверстия, где a - невозмущенный градиент температуры, r - радиус отверстия, x - расстояние от его центра. Это хорошо согласуется с результатами эксперимента. Таким образом, для уверенной регистрации дефектов и их количественного анализа при использовании этого метода необходимо дальнейшее увеличение температурного градиента, создаваемого в изучаемом образце.A theoretical estimate of the thermal field perturbation for such a problem, carried out using the Zhukovsky conformal mapping, gives a distribution along the axis directed in the direction of the unperturbed gradient and passing through the center of the hole, a * (x + r ^ 2 / x) on the warmer side, and a * (xr ^ 2 / x) from the colder side of the hole, where a is the unperturbed temperature gradient, r is the radius of the hole, x is the distance from its center. This is in good agreement with the experimental results. Thus, for confident registration of defects and their quantitative analysis using this method, a further increase in the temperature gradient created in the studied sample is necessary.

Нестационарные тепловые поля, индуцируемые импульсом токаUnsteady thermal fields induced by a current pulse

Для изучения дефектов в металлах и сплавах (включая сварные швы и соединения) самым гибким, чувствительным и информативным методом исследования из рассмотренных является метод создания тепловых полей посредством короткого прямоугольного импульса (длительностью от нескольких единиц до 1000 миллисекунд) тока большой плотности (порядка десятков А/мм^2 для стального образца), протекающего в плоскости исследуемой поверхности с регистрацией получающихся тепловых полей в режиме кинокамеры (см. фиг. 9б и 9г). Преимущество такого подхода состоит в том, что границы дефектов создают концентраторы тока, а, следовательно, и тепловыделения, что при достаточной скорости съемки приводит к существенно большей контрастности и чувствительности метода по сравнению с анализом стационарных и квазистационарных тепловых полей, распределение которых в любом случае является результатом релаксации неоднородностей температурного поля посредством теплопроводности. Данный тепловизор обеспечивает скорость съемки 60 кадров в секунду, что вполне достаточно для анализа дефектов в металлах с характерными размерами менее 1 мм.To study defects in metals and alloys (including welds and joints), the most flexible, sensitive and informative research method out of those considered is the method of creating thermal fields by means of a short rectangular pulse (duration from several units to 1000 milliseconds) of a high-density current (of the order of tens of A / mm ^ 2 for a steel sample) flowing in the plane of the surface under study with registration of the resulting thermal fields in the movie camera mode (see Figs. 9b and 9d). The advantage of this approach is that the concentrators of the current and, consequently, the heat generation create defect boundaries, which at a sufficient shooting speed leads to significantly greater contrast and sensitivity of the method compared to the analysis of stationary and quasi-stationary thermal fields, the distribution of which in any case is the result of relaxation of the inhomogeneities of the temperature field through thermal conductivity. This thermal imager provides a shooting speed of 60 frames per second, which is quite enough for the analysis of defects in metals with characteristic sizes of less than 1 mm.

а) Круглое отверстиеa) round hole

Для теоретической оценки распределения мощности источников тепловыделения в случае круглого отверстия может быть использовано конформное отображение Жуковского в виде z+r²/z (центр системы координат находится в центре отверстия, действительная ось направлена вдоль направления тока, r - радиус отверстия). Плотность источников тепловыделения равна квадрату плотности тока. Последняя пропорциональна модулю локального значения производной функции отображения, что дает для плотности тепловыделения коэффициент |1-r^2/z^2|^2. Таким образом, симметричные максимумы плотности тепловыделения достигаются на границах отверстия в точках, лежащих на перпендикуляре к направлению тока, и в 4 раза превышают плотность тепловыделения на бесконечности, а ее распределение вдоль перпендикуляра описывается формулой (1+r^2/y^2)^2. На границе отверстия плотность тепловыделения пропорциональна 2(1-cos2b), где b - угол относительно направления распространения тока.For a theoretical assessment of the power distribution of heat sources in the case of a round hole, Zhukovsky’s conformal mapping in the form z + r ² / z can be used (the center of the coordinate system is in the center of the hole, the real axis is directed along the current direction, and r is the radius of the hole). The density of heat sources is equal to the square of the current density. The latter is proportional to the modulus of the local value of the derivative of the mapping function, which gives the coefficient | 1-r ^ 2 / z ^ 2 | ^ 2 for the heat density. Thus, symmetrical maxima of the heat release density are achieved at the boundaries of the hole at points lying on the perpendicular to the direction of the current, and are 4 times higher than the heat density at infinity, and its distribution along the perpendicular is described by the formula (1 + r ^ 2 / y ^ 2) ^ 2. At the hole boundary, the heat density is proportional to 2 (1-cos2b), where b is the angle relative to the direction of current propagation.

На фиг. 10 показана разность тепловых полей непосредственно до и после прохождения прямоугольного импульса тока длительностью 25 мс по стальной пластине с круглым отверстием диаметром 1.5 мм. На фиг. 11 - профиль температуры на показанном отрезке, перпендикулярном направлению тока.In FIG. 10 shows the difference in thermal fields immediately before and after the passage of a rectangular current pulse of 25 ms duration over a steel plate with a round hole with a diameter of 1.5 mm. In FIG. 11 is a temperature profile in the shown segment perpendicular to the direction of the current.

Таким образом, использованная плотность тока и скорость съемки вполне достаточны для уверенной регистрации и определения размера круглого отверстия диаметром менее 1 мм в металлической пластине, б) Линейная щель, перпендикулярная направлению тока Для теоретической оценки распределения мощности источников тепловыделения в случае прямого прореза, ориентированного перпендикулярно направлению тока, может быть использовано конформное отображение sqrt(z^2+h^2) (центр системы координат находится в центре прорези, действительная ось направлена вдоль направления тока, h - половина длины прорези). Аналогично предыдущему пункту, получаем коэффициент плотности мощности тепловыделения |z^2/(z^2+h^2)|, что дает в окрестности кончика разреза расходимость вида h/2r, где r - расстояние от кончика. Грубо оценить регистрируемое превышение роста температуры над ростом температуры фона можно, подставив характерное расстояние тепловой диффузии r₀=sqrt(lt), где l - температуропроводность образца, t - время с момента начала импульса тока. Если r₀<<h, то положение наблюдаемых максимумов температуры совпадет с кончиками разреза. В реальных условиях, однако, r₀меньше h, но не пренебрежимо мало по сравнению с ним, что приводит с заметному завышению длины прорези, измеренной таким способом. Еще одним фактором, приводящим к уменьшению наблюдаемого перегрева и отклонениям от вышеописанного теоретического распределения температуры, является конечный радиус закругления на кончике моделирующего трещину прореза.Thus, the used current density and shooting speed are quite sufficient for reliable registration and determination of the size of a round hole with a diameter of less than 1 mm in a metal plate, b) a linear slit perpendicular to the current direction for a theoretical assessment of the power distribution of heat sources in the case of a direct cut oriented perpendicular to the direction current, the conformal mapping sqrt (z ^ 2 + h ^ 2) can be used (the center of the coordinate system is in the center of the slot, the real axis is directed along the direction of the current, h is half the length of the slot). Similarly to the previous paragraph, we obtain the coefficient of heat dissipation power density | z ^ 2 / (z ^ 2 + h ^ 2) |, which gives in the vicinity of the tip of the cut divergence of the form h / 2r, where r is the distance from the tip. It is possible to roughly estimate the recorded excess of the temperature increase over the increase in the background temperature by substituting the characteristic distance of thermal diffusion r ₀ = sqrt (lt), where l is the thermal diffusivity of the sample, t is the time since the start of the current pulse. If r ₀ << h, then the position of the observed temperature maxima coincides with the ends of the section. In real conditions, however, r _{0 is} less than h, but not negligible compared to it, which leads to a noticeable overestimation of the length of the slit measured in this way. Another factor leading to a decrease in the observed overheating and deviations from the theoretical temperature distribution described above is the final radius of curvature at the tip of the crack simulating the crack.

На фиг. 12 показана разность тепловых полей непосредственно до и после прохождения прямоугольного импульса тока длительностью 100 мс по стальной пластине с перпендикулярным прорезом длиной около 3 мм, и выходящих из его вершин трещин, полученных методом индентирования. Приведены изотермы 0.5, 1 и 1.5 градусов. На фиг. 13 - профиль температуры на показанном коричневом отрезке, перпендикулярном направлению тока.In FIG. Figure 12 shows the difference in thermal fields immediately before and after the passage of a rectangular current pulse of 100 ms duration over a steel plate with a perpendicular slot of about 3 mm in length and the cracks emerging from its vertices by indentation. The isotherms of 0.5, 1, and 1.5 degrees are shown. In FIG. 13 is a temperature profile in the brown section shown perpendicular to the direction of the current.

Предпочтительным методом оценки длины трещины является измерение расстояния между точками на уровне 70% максимума температуры с внутренней стороны на прямой, соединяющей максимумы.The preferred method for estimating the crack length is to measure the distance between the points at 70% of the maximum temperature from the inside on a straight line connecting the maxima.

Способ контроля объектов и устройство для его осуществления позволяют проводить многопараметровое тестирование металлов, сплавов, пленочных покрытий, сварных и клеевых швов, композитов с выявлением микроструктуры и дефектной структуры. Обработка полученных данных позволяет проводить построение дефектной карты, распределения полей напряженности и деформаций, наработку статистического материала, необходимого для экспертной системы прогнозирования сроков службы и остаточного ресурса изделий.The method of control of objects and the device for its implementation allow multi-parameter testing of metals, alloys, film coatings, welds and glues, composites with the identification of microstructure and defective structure. Processing the obtained data allows the construction of a defective map, distribution of stress and strain fields, and the production of statistical material necessary for an expert system for predicting the service life and residual life of products.

Claims

1. A thermographic method for controlling products, comprising the following steps: heating or cooling a portion of a controlled object; register the degree of heating or cooling of the surface of the controlled product, measuring the amount of infrared radiation of the defective region in comparison with the degree of heating or cooling of a defect-free environment; Position the position of the defective area and its dimensions and determine the admissibility of the defect when using the product; synchronize the speed of the product and the source of its heating with the speed of the imager; identify the type of defect by comparing with thermograms of a similar material containing a set of typical defects in the computer database.

2. The thermographic method for monitoring products according to claim 1, characterized in that the controlled area is affected by a local load that provokes an increase in the size of the defect, while determining the degree of danger and the tendency of the defect to develop is determined by the magnitude of the defect growth by subtracting the first image (before force exposure) from the second (after force exposure).

3. Thermographic method for monitoring products according to paragraphs. 1 and 2, characterized in that when analyzing the sequence of thermograms, the local maximum of the temperature values is estimated within the temperature profile and the process of the change in time of the amplitude of the temperature values in the region of the local maximum is recorded.

4. A device for thermographic control of products, comprising a device for creating thermal imbalance of local features of the temperature field between defective and defect-free areas of the object and at least one recording device for recording thermographic images following each other with a time interval, and a device for evaluating data of thermographic images, characterized in that the device further comprises a device for creating a local load in the form of measuring and power olovki provided with a movable rod indenter interacting with the test sample, the sensor measuring the indentation force and measuring its displacement sensor mounted on a motorized platform base table, and a thermal IR camera enclosed in a thermostated heat shroud.

5. The device according to p. 4, characterized in that the measuring and power head with a sensor for measuring displacement and a sensor for measuring the magnitude of the acting forces, a motorized table, an infrared camera are paired with the controller unit and connected to a personal computer.

6. Device for thermographic control of products, characterized in that it is configured to implement the method according to any one of paragraphs. 1-3.