RU2772403C1 - Automated ultrasonic thermal tomography system - Google Patents
Automated ultrasonic thermal tomography system Download PDFInfo
- Publication number
- RU2772403C1 RU2772403C1 RU2021123222A RU2021123222A RU2772403C1 RU 2772403 C1 RU2772403 C1 RU 2772403C1 RU 2021123222 A RU2021123222 A RU 2021123222A RU 2021123222 A RU2021123222 A RU 2021123222A RU 2772403 C1 RU2772403 C1 RU 2772403C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- input
- comparison unit
- adder
- product
- Prior art date
Links
- 238000003325 tomography Methods 0.000 title description 8
- 241001442055 Vipera berus Species 0.000 claims abstract description 44
- 238000011068 load Methods 0.000 abstract description 9
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 6
- 239000002131 composite material Substances 0.000 abstract description 3
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 abstract description 3
- 238000010924 continuous production Methods 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 23
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 10
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 9
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 8
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 description 6
- 238000001757 thermogravimetry curve Methods 0.000 description 6
- 230000032798 delamination Effects 0.000 description 5
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 4
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 4
- 238000001931 thermography Methods 0.000 description 4
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000009659 non-destructive testing Methods 0.000 description 3
- 238000004164 analytical calibration Methods 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 238000011088 calibration curve Methods 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 230000001066 destructive Effects 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 2
- 230000003287 optical Effects 0.000 description 2
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 description 2
- 230000001105 regulatory Effects 0.000 description 2
- 230000003068 static Effects 0.000 description 2
- 210000003660 Reticulum Anatomy 0.000 description 1
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000007374 clinical diagnostic method Methods 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 230000001427 coherent Effects 0.000 description 1
- 239000004035 construction material Substances 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 238000009658 destructive testing Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 231100000488 structural defect Toxicity 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised Effects 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для оценки надежности сложных пространственных конструкций из полимерных композиционных материалов (ПКМ), на основе результатов теплового контроля при нагружении изделий механическими колебаниями.The invention relates to the field of measuring technology and can be used to assess the reliability of complex spatial structures made of polymer composite materials (PCM), based on the results of thermal control when loading products with mechanical vibrations.
Изобретение может быть использовано для контроля надежности сложных пространственных конструкций из ПКМ как в процессе производства, так и в процессе эксплуатации: пространственных сетчатых конструкций: отсеков космических аппаратов, ракетных двигателей, трубопроводов, герметичных сосудов и т.п. Особенно эффективно применение изобретения при испытании потенциально опасных и дорогих в изготовлении конструкций, к которым с одной стороны предъявляются высокие требования по надежности эксплуатации, а с другой стороны они являются дорогими и трудоемкими в изготовлении для того, чтобы большое количество конструкций можно было испытать методами разрушающего контроля, т.е. разрушить. При этом требуется определить потенциально опасные места (узлы конструкции), которые в первую очередь могут разрушиться (вследствие наличия дефектов, пониженной прочности или других причин) при нагрузках, что может привести к авариям и которые возможно необходимо укреплять.The invention can be used to control the reliability of complex spatial structures made of PCM both during production and during operation: spatial mesh structures: spacecraft compartments, rocket engines, pipelines, sealed vessels, etc. The application of the invention is especially effective when testing potentially dangerous and expensive structures to manufacture, which, on the one hand, have high requirements for operational reliability, and on the other hand, they are expensive and time-consuming to manufacture so that a large number of structures can be tested by destructive testing methods. , i.e. destroy. At the same time, it is required to identify potentially dangerous places (structural units) that, first of all, can collapse (due to defects, reduced strength, or other reasons) under loads, which can lead to accidents and which may need to be strengthened.
Изобретение эффективно использовать для конструкций, которые затруднительно нагружать тепловым потоком по площади (нагревать площадными нагревателями) для осуществления теплового контроля, но в которых необходимо оценивать место расположения дефектов в материале конструкции, т.е. осуществлять томографию.The invention can be effectively used for structures that are difficult to load with a heat flow over the area (heat with area heaters) for thermal control, but in which it is necessary to evaluate the location of defects in the material of the structure, i.e. perform tomography.
Уровень техникиState of the art
Перспективным направлением в современной технике является использование полимерных композиционных материалов, обладающих рядом преимуществ перед традиционными материалами - металлами, особенно в авиакосмических отраслях техники, машиностроении, энергетике и др. Такие материалы требуют особого подхода, новых решений при разработке и создании методов и средств оценки надежности эксплуатации. Это вызвано большим разнообразием видов таких материалов, специфическими особенностями конструкций из них и технологией изготовления, и случайным изменением физико-механических и прочностных характеристик, большим разнообразием типов дефектов, возникающих в процессе изготовления.A promising direction in modern technology is the use of polymer composite materials that have a number of advantages over traditional materials - metals, especially in the aerospace industries, mechanical engineering, energy, etc. Such materials require a special approach, new solutions in the development and creation of methods and means for assessing the reliability of operation . This is due to a wide variety of types of such materials, specific features of their structures and manufacturing technology, and random changes in physical, mechanical and strength characteristics, a wide variety of types of defects that occur during the manufacturing process.
Кроме того, эти материалы в большинстве отраслей промышленности работают в условиях статических и динамических нагрузок, изделия из таких материалов имеют сложную пространственную конструкцию, которая затрудняет использование традиционных технологий контроля.In addition, these materials in most industries operate under static and dynamic loads, products made from such materials have a complex spatial structure, which makes it difficult to use traditional control technologies.
Повысить качество конструкций невозможно без достоверной оценки критериев их качества. Соответственно невозможна разработка мероприятий и технологий по повышению качества конструкций. Одним из признаков качества конструкций является наличие дефектов типа нарушения сплошности (расслоения, трещины, пористость и т.п.), которые, как правило, образуются в местах пониженной прочности, либо в материале, имеющем тенденцию к нарушению сплошности.It is impossible to improve the quality of structures without a reliable assessment of their quality criteria. Accordingly, it is impossible to develop measures and technologies to improve the quality of structures. One of the signs of the quality of structures is the presence of defects such as discontinuity (laminations, cracks, porosity, etc.), which, as a rule, are formed in places of reduced strength, or in a material that tends to discontinuity.
Учитывая, что такие конструкции, как правило, являются дорогими, как в стоимостном выражении, так и по трудоемкости изготовления, необходимо с одной стороны каждую конструкцию подвергать испытанию на предмет соответствия ее прочностных характеристик требуемым, а с другой стороны, эти испытания должны минимально «травмировать» конструкцию при максимальной информативности результатов испытаний.Given that such structures, as a rule, are expensive, both in terms of cost and labor intensity of manufacture, it is necessary, on the one hand, to test each structure for compliance with its strength characteristics to the required ones, and on the other hand, these tests should minimally “injure » design with maximum information content of test results.
Износ основных фондов и технического оборудования, снижение качества материала и другие подобные причины приводит к снижению надежности эксплуатации конструкций из ПКМ.Depreciation of fixed assets and technical equipment, deterioration of material quality and other similar reasons lead to a decrease in the reliability of operation of PCM structures.
Например, усталость ПКМ, особенности технологии их изготовления приводят к образованию внутренних дефектов типа нарушения сплошности, возникновению остаточных внутренних напряжений, которые вызывают нарушение сплошности и, в конечном итоге, приводят к разрушению материала и конструкции. Это явление широко описано в литературе. В последнее время принят ряд программ, направленных на исправление ситуации: модернизация производств, повышение качества материалов и др. Однако полное решение данных задач в настоящее время затруднено по финансовым причинам.For example, the fatigue of PCM, the features of their manufacturing technology lead to the formation of internal defects such as discontinuity, the occurrence of residual internal stresses that cause discontinuity and, ultimately, lead to the destruction of the material and structure. This phenomenon is widely described in the literature. Recently, a number of programs have been adopted aimed at correcting the situation: modernization of production facilities, improvement of the quality of materials, etc. However, a complete solution of these problems is currently difficult for financial reasons.
В этой связи большое значение приобретают неразрушающие методы контроля и диагностики таких конструкций, обеспечивающие не только обнаружение внутренних дефектов, но и определение их характеристик, глубину залегания в материале, т.е. осуществление томографии таких конструкций. Они позволяют объективно определять фактическое состояние конструкции, оценивать надежность эксплуатации, и давать рекомендации по ее ремонту или восстановлению.In this regard, non-destructive methods for monitoring and diagnosing such structures are of great importance, providing not only the detection of internal defects, but also the determination of their characteristics, the depth of occurrence in the material, i.e. tomography of such structures. They allow you to objectively determine the actual state of the structure, evaluate the reliability of operation, and give recommendations for its repair or restoration.
Известен способ определения дефектов и остаточных напряжений в пластинах (авт. свид. СССР №1543259), согласно которому объект контроля освещают когерентным светом, записывают голограмму поверхности, удаляют часть материала, создают локальную зону деформаций путем точечной нагрузки в зоне перемещений, вызванных удалением материала, записывают голограмму поверхности вторично. Величину дефектов и знак остаточных напряжений определяют по числу интерференционных полос и их искажению. Этот способ достаточно трудоемкий, требует высокой квалификации, финансовоемкий, применим исключительно для плоских деталей, сопряжен с разрушением материала и используется для научных исследований в лабораториях.A known method for determining defects and residual stresses in plates (ed. mon. USSR No. 1543259), according to which the object of control is illuminated with coherent light, a hologram of the surface is recorded, part of the material is removed, a local deformation zone is created by means of a point load in the zone of displacements caused by the removal of material, recording the surface hologram a second time. The magnitude of defects and the sign of residual stresses are determined by the number of interference fringes and their distortion. This method is quite laborious, requires high qualification, is financially intensive, is applicable only for flat parts, is associated with the destruction of the material, and is used for scientific research in laboratories.
Известен способ определения дефектов и остаточных напряжений по патенту РФ №2032162, согласно которому в испытуемый материал статически вдавливают пирамидальный индентор до образования отпечатка с развивающимися хрупкими трещинами, измеряют усилие и параметры трещины, оценивают топологию трещин, определяют равновесное и эффективное значения вязкости разрушения, а величину потенциально возможных дефектов и остаточных напряжений рассчитывают по известным соотношениям с учетом линейных размеров действительного зерна в покрытии.A known method for determining defects and residual stresses according to the patent of the Russian Federation No. 2032162, according to which a pyramidal indenter is statically pressed into the test material until an imprint with developing brittle cracks is formed, the force and parameters of the crack are measured, the crack topology is evaluated, the equilibrium and effective values of fracture toughness are determined, and the value Potentially possible defects and residual stresses are calculated according to known ratios, taking into account the linear dimensions of the actual grain in the coating.
Способ сложен в осуществлении и применим только в лабораторных целях.The method is difficult to implement and applicable only for laboratory purposes.
Известен также способ неразрушающего контроля физико-механических свойств полимерного материала или конструкции из полимерного материала, раскрытый в патенте BY 10472. Он основан на силовом воздействии и анализе реакции материала. Недостаток данного способа аналогичен недостаткам способа по предыдущему патенту.There is also known a method for non-destructive control of the physical and mechanical properties of a polymer material or a structure made of a polymer material, disclosed in patent BY 10472. It is based on force and analysis of the reaction of the material. The disadvantage of this method is similar to the disadvantages of the method according to the previous patent.
Известны также способ и система теплового контроля остаточных напряжений и дефектов конструкций (патент РФ №2383009). Известное техническое решение позволяет осуществить тепловой контроль надежности конструкций. Способ включает силовое воздействие на контролируемое изделий и регистрацию температурного поля, по анализу которого судят о состоянии изделия. Система включает устройство регистрации термограммы, блок визуализации и устройство обработки.There is also known a method and system for thermal control of residual stresses and structural defects (RF patent No. 2383009). Known technical solution allows to carry out thermal control of the reliability of structures. The method includes a force impact on the controlled product and registration of the temperature field, the analysis of which is used to judge the state of the product. The system includes a thermogram recording device, a visualization unit and a processing device.
Способ не позволяет определять характеристики дефектов в материале.The method does not allow to determine the characteristics of defects in the material.
При регистрации температурного поля в поле зрения регистрирующей термографической (тепловизионной) системы попадают температурные поля, принадлежащие как контролируемому изделию, так и посторонним предметам. Если контролируемое изделие «занимает» все поле обзора регистрирующей системы, это обстоятельство не является критичным. Когда контролируемое изделие представляет собой сложную пространственную конструкцию (например, сетчатую), регистрируемое температурное поле будет принадлежать как изделию (сетке), так и области, расположенной между элементами сетки. Кроме того, пространственный площадный нагрев таких изделий затруднен, т.к. в область нагрева попадают посторонние предметы. Это значительно затрудняет, а в ряде случаев делает невозможным достоверную интерпретацию результатов, в т.ч. обнаружение и распознавание дефектов.When registering a temperature field, the field of view of the recording thermographic (thermal imaging) system includes temperature fields belonging to both the controlled product and foreign objects. If the controlled product "occupies" the entire field of view of the recording system, this circumstance is not critical. When the controlled product is a complex spatial structure (for example, a mesh), the recorded temperature field will belong to both the product (grid) and the area located between the grid elements. In addition, spatial areal heating of such products is difficult, because Foreign objects get into the heating area. This greatly complicates, and in some cases makes it impossible to interpret the results reliably, incl. detection and recognition of defects.
Известен способ и реализующее его устройство, описанные в работе: Нестерук Д.А., Хорев B.C., Коробов К.Н. Инфракрасно-ультразвуковой контроль воды в сотовых панелях самолета. Контроль и Диагностика, 2011. №11. С. 13-16.There is a known method and a device that implements it, described in the work: Nesteruk D.A., Khorev B.C., Korobov K.N. Infrared-ultrasonic control of water in aircraft honeycomb panels. Control and Diagnostics, 2011. No. 11. pp. 13-16.
Способ включает возбуждение механических колебаний контролируемого объекта и выявление внутренних дефектов на основе регистрации температурных полей поверхности изделия, которые возникают за счет перехода энергии механических колебаний во внутреннюю энергию изделия в областях нарушения сплошности. Имеется потенциальная возможность определения глубины залегания внутренних дефектов путем сравнения теоретической градуировочной кривой зависимости глубины залегания дефектов от величины температуры на поверхности изделия. Известное устройство включает систему ввода в контролируемое изделие ультразвуковые колебания, термографическую систему и компьютер с программным обеспечением.The method includes the excitation of mechanical vibrations of the controlled object and the detection of internal defects based on the registration of temperature fields of the surface of the product, which occur due to the transfer of energy of mechanical vibrations into the internal energy of the product in areas of discontinuity. There is a potential possibility of determining the depth of internal defects by comparing the theoretical calibration curve of the dependence of the depth of defects on the temperature on the surface of the product. The known device includes a system for introducing ultrasonic vibrations into a controlled product, a thermographic system and a computer with software.
Известный способ и реализующее его устройство не позволяют определять глубину расположения дефектов в материале конструкции с необходимой для практики точностью.The known method and the device that implements it do not allow determining the depth of defects in the construction material with the accuracy necessary for practice.
Поэтому известное решение применимо только для контроля ограниченной номенклатуры изделий.Therefore, the known solution is applicable only to the control of a limited range of products.
На сегодняшний день имеется актуальная потребность в создании устройства диагностики технического состояния реальных крупногабаритных сложных пространственных конструкций, который может применяться на практике для широкого круга объектов с использованием простого и точного оборудования. Такие конструкции возможно контролировать только с использованием автоматизированных систем - систем, осуществляющих автоматическое перемещение аппаратуры контроля по поверхности контролируемого изделия для обеспечения требуемой производительности контроля, повышения достоверности контроля - исключение влияния на результаты контроля субъективных факторов, возможности применения математических методов повышения достоверности контроля, возможности определения глубины залегания внутренних дефектов относительно поверхности изделия. Поэтому актуальна задача создания устройства контроля, обеспечивающего обнаружение дефектов, определение их глубину залегания и осуществлять эти операции в автоматическом режиме.To date, there is an urgent need to create a device for diagnosing the technical condition of real large-sized complex spatial structures, which can be applied in practice for a wide range of objects using simple and accurate equipment. Such structures can only be controlled using automated systems - systems that automatically move the control equipment over the surface of the controlled product to ensure the required control performance, increase the reliability of control - exclusion of the influence of subjective factors on the results of control, the possibility of using mathematical methods to increase the reliability of control, the possibility of determining the depth the occurrence of internal defects relative to the surface of the product. Therefore, the task of creating a control device that ensures the detection of defects, determining their depth of occurrence, and performing these operations in automatic mode is relevant.
Принципиально подход к решению задач определения и локализации дефектов, определения их характеристик и областей концентрации внутренних напряжений и вызванных ими дефектов типа нарушений сплошности (например, трещин) стал возможен с развитием средств диагностики, основанных на регистрации и анализе динамических температурных полей поверхности контролируемой конструкции. Наиболее значимые результаты появились в последнее десятилетие.Fundamentally, an approach to solving the problems of determining and localizing defects, determining their characteristics and areas of concentration of internal stresses and defects caused by them such as discontinuities (for example, cracks) became possible with the development of diagnostic tools based on the registration and analysis of dynamic temperature fields of the surface of a controlled structure. The most significant results have appeared in the last decade.
Это связано с появлением современной портативной тепловизионной техники, например, см. О.Н. Будадин и др., Тепловой неразрушающий контроль изделий, М., Наука, 2002, стр. 338-393, во-вторых, с созданием современного математического аппарата (там же, стр. 39-89), позволяющего решать прямые и обратные задачи нестационарной теплопередачи, что дало возможность перехода от дефектоскопии (обнаружения дефектов) к томографии (распознавания внутренних дефектов, определения их характеристик и оценки остаточного ресурса изделий).This is due to the advent of modern portable thermal imaging equipment, for example, see O.N. Budadin et al., Thermal non-destructive testing of products, M., Nauka, 2002, pp. 338-393, secondly, with the creation of a modern mathematical apparatus (ibid., pp. 39-89), which allows solving direct and inverse problems of non-stationary heat transfer, which made it possible to move from flaw detection (detection of defects) to tomography (recognition of internal defects, determination of their characteristics and assessment of the residual life of products).
Имелись неоднократные попытки решить проблему обнаружения и определения глубины залегания дефектов в ПКМ с помощью дефектоскопии различными методами - ультразвуковым, радиоволновым и т.п. Однако это не приводило к желаемым результатам:There have been repeated attempts to solve the problem of detecting and determining the depth of defects in PCM using various methods of flaw detection - ultrasonic, radio wave, etc. However, this did not lead to the desired results:
1. Как правило, методы дефектоскопии позволяют обнаруживать макродефекты, в то время как снижение прочности может быть обусловлено, как правило, в основном, микродефектами (микротрещины, микропоры, «слипнутые дефекты» - дефекты, не имеющие адгезии между поверхностями и т.п.).1. As a rule, flaw detection methods make it possible to detect macrodefects, while a decrease in strength can be caused, as a rule, mainly by microdefects (microcracks, micropores, “sticky defects” - defects that do not have adhesion between surfaces, etc. ).
2. Микродефекты, которые обуславливают снижение надежности, в основном образуются в процессе нагружения контролируемой конструкции какими-либо нагрузками (силовыми статическими или динамическими - ударными, внутренним давлением для баллонов и др.), а методы дефектоскопии, в основном, не позволяют проводить неразрушающий контроль в процессе нагружения конструкций. Кроме того, это опасно с точки зрения техники безопасности, т.к. для проведения дефектоскопии конструкций около нее должен находиться оператор-дефектоскопист.2. Microdefects, which cause a decrease in reliability, are mainly formed in the process of loading a controlled structure with any loads (power static or dynamic - shock, internal pressure for cylinders, etc.), and flaw detection methods, in general, do not allow non-destructive testing during loading of structures. In addition, it is dangerous from a safety point of view, because. to carry out flaw detection of structures, an operator-defectoscopist must be near it.
3. При контроле сложных пространственных структур, либо объектов, которые занимали не все поле обзора регистрирующей системы, наряду с информативными температурными полями регистрировались температурные помехи, которые попадали в область теплового нагружения и которые значительно снижали достоверность результатов контроля.3. During the control of complex spatial structures or objects that did not occupy the entire field of view of the recording system, along with informative temperature fields, temperature noises were recorded that fell into the thermal loading area and significantly reduced the reliability of the control results.
4. Методы не позволяли определять характеристики обнаруженных внутренних дефектов - их месторасположение в материале изделия - глубину залегания. Это обусловлено большим разбросом физико-механических и теплофизических характеристик ПКМ, сложной конструкцией и пространственной формой изделий.4. The methods did not allow to determine the characteristics of the detected internal defects - their location in the material of the product - the depth of occurrence. This is due to the large spread of physical, mechanical and thermophysical characteristics of PCM, the complex design and spatial shape of the products.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является устройство, описанное в патенте №2686498 от 29.04.2019 г. (Решение от 25.03.2019 г. о выдаче патента на изобретение по заявке №2018129528(047658) от 13.08.2018 г.) авторов Будадин О.Н.. Кульков А.А., Козельская C.O., Каледин Вал. О., Вячкин Е.С. «Способ ультразвуковой термотомографии и устройство для его осуществления»Closest to the claimed invention is the device described in patent No. 2686498 dated April 29, 2019 (Decision dated March 25, 2019 on the grant of a patent for the invention according to application No. 2018129528 (047658) dated August 13, 2018) authors Budadin O. N.. Kulkov A.A., Kozelskaya C.O., Kaledin Val. O., Vyachkin E.S. "Method of ultrasonic thermotomography and device for its implementation"
Известное устройство включает термографическую аппаратуру, генератор механических колебаний, устройство ввода механических колебаний, первое пороговое устройство, регистратор результатов. Устройство ввода механических колебаний механически связано с контролируемым изделием и подключено к генератору колебаний, а выход термографической аппаратуры подключен к пороговому устройству. Стрройство также включает второе пороговое устройство, первый - третий сумматоры, первый и второй регистраторы максимального значения, первый и второй регистраторы времени максимального значения, делитель, умножитель, блок памяти, первое и второе зеркала. Второй выход термографической аппаратуры подключен к входу второго порогового устройства, первый выход первого порогового устройства подключен к первому входу первого сумматора, второй выход первого порогового устройства подключен к второму входу первого сумматора, первый выход второго порогового устройства подключен к первому входу второго сумматора, второй выход второго порогового устройства подключен к второму входу второго сумматора, выход первого сумматора подключен к входу первого регистратора максимального значения, выход второго сумматора подключен к входу второго регистратора максимального значения, выход первого регистратора максимального значения подключен к входу первого регистратора максимального значения времени, выход второго регистратора максимального значения подключен к входу первого регистратора максимального значения времени, выход первого регистратора максимального значения времени подключен одновременно к первому входу третьего сумматора и первому входу делителя, выход второго регистратора максимального значения времени подключен к второму входу третьего сумматора, выход третьего сумматора подключен к второму входу делителя, выход делителя подключен к первому входу умножителя, выход блока памяти подключен к второму входу умножителя, выход умножителя подключен к входу регистратора результатов, а первое и второе зеркала установлены таким образом, чтобы в поле зрения термографической аппаратуры находились одновременно видеоизображения температурных полей двух поверхностей контролируемого изделия.The known device includes thermographic equipment, a mechanical vibration generator, a mechanical vibration input device, a first threshold device, and a results recorder. The mechanical vibration input device is mechanically connected to the controlled product and connected to the vibration generator, and the output of the thermographic equipment is connected to the threshold device. The device also includes the second threshold device, the first - the third adders, the first and second recorders of the maximum value, the first and second recorders of the time of the maximum value, a divider, a multiplier, a memory block, the first and second mirrors. The second output of the thermographic equipment is connected to the input of the second threshold device, the first output of the first threshold device is connected to the first input of the first adder, the second output of the first threshold device is connected to the second input of the first adder, the first output of the second threshold device is connected to the first input of the second adder, the second output of the second threshold device is connected to the second input of the second adder, the output of the first adder is connected to the input of the first recorder of the maximum value, the output of the second adder is connected to the input of the second recorder of the maximum value, the output of the first recorder of the maximum value is connected to the input of the first recorder of the maximum time value, the output of the second recorder of the maximum value connected to the input of the first recorder of the maximum time value, the output of the first recorder of the maximum time value is connected simultaneously to the first input of the third adder and the first input of the divider, the output of the second recorder of the maximum time value is connected to the second input of the third adder, the output of the third adder is connected to the second input of the divider, the output of the divider is connected to the first input of the multiplier, the output of the memory block is connected to the second input of the multiplier, the output of the multiplier is connected to the input of the results recorder, and the first and the second mirrors are installed in such a way that video images of the temperature fields of two surfaces of the controlled product are simultaneously in the field of view of the thermographic equipment.
Известное решение не обеспечивает автоматическое и непрерывное определение участков пониженной прочности, дефектных участков (участков, не соответствующих нормативным документам), разработке рекомендаций для устранения дефектов или восстановления конструкции.The known solution does not provide automatic and continuous determination of areas of reduced strength, defective areas (areas that do not comply with regulatory documents), the development of recommendations for eliminating defects or restoring the structure.
Сущность изобретенияThe essence of the invention
Изобретение направлено на решение задачи устранения недостатков средств контроля из уровня техники. Изобретение обеспечивает повышение точности, информативности, достоверности, производительности и расширение области использования контроля технического состояния сложных конструкций и их элементов, в т.ч. из ПКМ, в процессе производства и в реальных условиях эксплуатации, в т.ч. в условиях нагрузки, определении участков пониженной прочности, дефектных участков (участков, не соответствующих нормативным документам), разработке рекомендаций для устранения дефектов или восстановления конструкции.The invention is aimed at solving the problem of eliminating the shortcomings of the control means from the prior art. The invention provides an increase in accuracy, information content, reliability, productivity and expansion of the field of use for monitoring the technical condition of complex structures and their elements, incl. from PCM, during production and in real operating conditions, incl. under load conditions, identifying areas of reduced strength, defective areas (areas that do not comply with regulatory documents), developing recommendations for eliminating defects or restoring the structure.
Т.е. в конечном итоге изобретение направлено на повышение безопасности эксплуатации сложных потенциально опасных конструкций, находящихся под непрерывными или циклическими нагрузками (механическими, внутренним давлением и др.).Those. Ultimately, the invention is aimed at improving the safety of operation of complex potentially hazardous structures under continuous or cyclic loads (mechanical, internal pressure, etc.).
Технический результат заключается в обеспечении определения глубины залегания внутренних дефектов в непрерывном процессе автоматизированного контроля с необходимой для практики точностью, повышении достоверности обнаружения локальных участков пониженной прочности, повышении достоверности результатов оценки технического, эксплуатационного состояния и расширения области использования сложных конструкций и их элементов из ПКМ.The technical result consists in determining the depth of occurrence of internal defects in a continuous process of automated control with the accuracy necessary for practice, increasing the reliability of detecting local areas of reduced strength, increasing the reliability of the results of assessing the technical, operational condition and expanding the scope of use of complex structures and their elements from PCM.
Технический результат достигается за счет того, что в известном устройстве исключены зеркала и в него дополнительно введены второе термографическое устройство (22), устройство перемещения изделия (20), синхронизатор работы устройства (19), первый блок сравнения (23), второй блок сравнения (24), при этом выход первого сумматора (9) подключен к первому входу первого блока сравнения (23), первый выход первого блока сравнения (23) подключен к входу первого регистратора максимального значения (11), выход второго сумматора (10) подключен к первому входу второго блока сравнения (24), первый выход второго блока сравнения (24) подключен к входу второго регистратора максимального значения (12), второй выход блока памяти (18) одновременно к вторым входам первого блока сравнения (23) и второго блока сравнения (24), второй выход первого блока сравнения (23) подключен к первому входу синхронизатора работы устройства (19), выход второго блока сравнения (24) подключен к второму входу синхронизатора работы устройства (19), первый выход синхронизатора работы устройства (19) подключен к входу генератора механических колебаний (4), второй выход синхронизатора работы устройства (19) подключен одновременно к входам первой термографической аппаратуры (5) и второй термографической аппаратуры (22), третий выход синхронизатора работы устройства (19) подключен к входу устройства перемещения изделия (20), устройство перемещения изделия (20) механически связано с контролируемым изделием (1) с возможностью перемещения изделия (1), выход второй термографической аппаратуры (20) подключен к входу второго порогового устройства (8).The technical result is achieved due to the fact that mirrors are excluded in the known device and a second thermographic device (22), a device for moving the product (20), a device operation synchronizer (19), the first comparison unit (23), the second comparison unit ( 24), while the output of the first adder (9) is connected to the first input of the first block of comparison (23), the first output of the first block of comparison (23) is connected to the input of the first recorder of the maximum value (11), the output of the second adder (10) is connected to the first input of the second comparison unit (24), the first output of the second comparison unit (24) is connected to the input of the second maximum value recorder (12), the second output of the memory unit (18) is simultaneously connected to the second inputs of the first comparison unit (23) and the second comparison unit (24 ), the second output of the first comparison unit (23) is connected to the first input of the device operation synchronizer (19), the output of the second comparison unit (24) is connected to the second input of the synchronizer bots of the device (19), the first output of the device operation synchronizer (19) is connected to the input of the mechanical oscillation generator (4), the second output of the device operation synchronizer (19) is connected simultaneously to the inputs of the first thermographic equipment (5) and the second thermographic equipment (22), the third output of the device operation synchronizer (19) is connected to the input of the device for moving the product (20), the device for moving the product (20) is mechanically connected to the controlled product (1) with the possibility of moving the product (1), the output of the second thermographic equipment (20) is connected to the input second threshold device (8).
Технический результат усиливается за счет того, что регистрацию температурного поля одновременно на двух поверхностях контролируемого изделия осуществляют в одни и те же моменты времени за счет использования синхронизатора работы устройства (19). Регистрацию температурного поля одновременно на двух поверхностях контролируемого изделия осуществляют путем установки двух идентичных термографических аппаратов, синхронизированных между собой синхронизатором работы устройства (19), при этом термографические аппараты располагаются с противоположных сторон поверхности контролируемого изделия.The technical result is enhanced by the fact that the registration of the temperature field simultaneously on two surfaces of the controlled product is carried out at the same time points through the use of a device operation synchronizer (19). Registration of the temperature field simultaneously on two surfaces of the controlled product is carried out by installing two identical thermographic devices synchronized with each other by the device operation synchronizer (19), while the thermographic devices are located on opposite sides of the surface of the controlled product.
Термографическую аппаратуру устанавливают таким образом, чтобы поле обзора оптических систем в пространстве предмета (на противоположных поверхностях контролируемого изделия) совпадали по координатам и в поле зрения регистрирующей термографической аппаратуры находились одновременно видеоизображения температурных полей на двух противоположных поверхностях контролируемого изделия.Thermographic equipment is installed in such a way that the field of view of optical systems in the object space (on opposite surfaces of the controlled product) coincides in coordinates and the field of view of the recording thermographic equipment simultaneously contains video images of temperature fields on two opposite surfaces of the controlled product.
Краткое описание фигур чертежейBrief description of the figures of the drawings
Сущность изобретения и возможность достижения технического результата будут более понятны из последующего описания со ссылками на позиции чертежей, где на:The essence of the invention and the possibility of achieving a technical result will be more clear from the following description with reference to the positions of the drawings, where:
фиг. 1 приведена структурная схема устройства,fig. 1 shows a block diagram of the device,
фиг. 2 приведена фотография системы сканирования с крупногабаритным контролируемым изделием,fig. 2 shows a photograph of a scanning system with a large controlled item,
фиг. 3 приведена фотография синхронизатора работы устройства,fig. 3 shows a photograph of the synchronizer of the device,
фиг. 4 приведены, в качестве примера, термограммы некоторых дефектов изделия:fig. 4 shows, as an example, thermograms of some product defects:
а - термограмма расслоения на торце изделия,a - thermogram of delamination at the end of the product,
б - термограмма участка с искусственными дефектами,b - thermogram of the area with artificial defects,
в - термограмма трещины на торце изделия.c - thermogram of a crack at the end of the product.
фиг. 5 приведена типовая зависимость ΔTэмax1(t,x,y) и ΔTэмах2(t,x,y) от времени,fig. 5 shows a typical dependence of ΔT emax1 (t,x,y) and ΔT emax2 (t,x,y) on time,
фиг. 6 - дефекторамма результатов контроля,fig. 6 - defectorama of test results,
фиг. 7 - приведена типовая экспериментальная зависимость времени достижения максимального изменения температуры на дефекте от глубины залегания дефекта,fig. 7 - shows a typical experimental dependence of the time to reach the maximum temperature change on the defect from the depth of the defect,
фиг. 8 - схема распространения тепла в изделии в области дефектаfig. 8 - scheme of heat distribution in the product in the area of the defect
фиг. 9 - временная диаграмма работы синхронизатора работы устройства,fig. 9 - timing diagram of the operation of the synchronizer of the device,
фиг. 10 - фотография образца с дефектом типа расслоение на торце,fig. 10 - photograph of a sample with a defect such as delamination at the end,
фиг. 11 - фотография образца с внутренними эталонными расслоениями.fig. 11 is a photograph of a sample with internal reference delaminations.
На приведенных фигурах приняты следующие обозначения:The following designations are used in the given figures:
1 - контролируемое изделие,1 - controlled product,
2 - дефект внутри изделия,2 - defect inside the product,
3 - устройство ввода механических колебаний,3 - mechanical vibration input device,
4 - генератор механических колебаний,4 - generator of mechanical oscillations,
5 - первая термографическая аппаратура,5 - the first thermographic equipment,
6 - первое пороговое устройство,6 - the first threshold device,
7 - регистратор результатов,7 - registrar of results,
8 - второе пороговое устройство,8 - second threshold device,
9 - первый сумматор,9 - the first adder,
10 - второй сумматор,10 - second adder,
11 - первый регистратор максимального значения,11 - the first registrar of the maximum value,
12 - второй регистратор максимального значения,12 - the second registrar of the maximum value,
13 - первый регистратор максимального значения времени,13 - the first registrar of the maximum time value,
14 - второй регистратор максимального значения времени,14 - the second registrar of the maximum time value,
15 - третий сумматор,15 - the third adder,
16 - делитель,16 - divider,
17 - умножитель,17 - multiplier,
18 - блок памяти,18 - memory block,
19 - синхронизатор работы устройства,19 - device operation synchronizer,
20 - устройство перемещения изделия,20 - device for moving the product,
21 - поле зрения термографической аппаратуры,21 - field of view of thermographic equipment,
22 - вторая термографическая аппаратура,22 - second thermographic equipment,
23 - первый блок сравнения,23 - the first block of comparison,
24 - второй блок сравнения,24 - the second block of comparison,
25 - контролируемый участок поверхности изделия (поле обзора оптической системы термографической аппаратуры в плоскости предмета),25 - controlled area of the surface of the product (field of view of the optical system of thermographic equipment in the plane of the object),
26 - область распространения теплового фронта,26 - the area of distribution of the thermal front,
Н - толщина изделия,H is the thickness of the product,
h - глубина залегания дефекта в изделии,h is the depth of the defect in the product,
topt - времени достижения максимального изменения температуры на дефекте,t opt - the time to reach the maximum temperature change at the defect,
ε - уровень шумов температурного поля поверхности.ε - noise level of the surface temperature field.
Предпочтительный вариант осуществления изобретенияPreferred embodiment of the invention
Все используемые в системе автоматизированной ультразвуковой термографии электронные блоки построены на основе стандартных микропроцессорных схем и микропроцессорных сборок с перепрограммируемыми запоминающими устройствами, а система управления выключением/включением системы нагружения построена на стандартных релейных системах (см. например, Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника: учебн. пособие для вузов. - 3-е изд. перераб. и доп. - СПб.: - БХВ-Петербург, 2010.). В качестве термографической аппаратуры (5) используются тепловизоры фирмы FLIR, FESTO, термографы типа ИРТИС-2000 или аналогичные по техническим характеристикам.All electronic units used in the system of automated ultrasonic thermography are built on the basis of standard microprocessor circuits and microprocessor assemblies with reprogrammable memory devices, and the control system for turning off / on the loading system is built on standard relay systems (see, for example, Ugryumov E.P. Digital circuitry: textbook manual for universities, 3rd ed., revised and supplemented, St. Petersburg: BHV-Petersburg, 2010). Thermal imagers from FLIR, FESTO, thermographs of the IRTIS-2000 type or similar in technical characteristics are used as thermographic equipment (5).
Система автоматизированной ультразвуковой термотомографии включает первую термографическую аппаратуруо (5), генератор механических колебаний (4), устройство ввода механических колебаний (3), первое пороговое устройство (6), регистратор результатов (7). Устройство ввода механических колебаний (3) механически связано с контролируемым изделием (1) и подключено к генератору механических колебаний (4). Устройство ввода механических колебаний представляет собой магнитострикционное устройство, настроенное на частоту возбуждения контролируемого материала, например, 22 кГц.The automated ultrasonic thermotomography system includes the first thermographic equipment (5), mechanical vibration generator (4), mechanical vibration input device (3), first threshold device (6), results recorder (7). The mechanical vibration input device (3) is mechanically connected to the controlled product (1) and connected to the mechanical vibration generator (4). The input device for mechanical vibrations is a magnetostrictive device tuned to the excitation frequency of the controlled material, for example, 22 kHz.
Выход первой термографической аппаратуры (5) подключен к пороговому устройству (6). Второй выход первой термографической аппаратуры (5) подключен к входу второго порогового устройства (8). Первый выход первого порогового устройства (6) подключен к первому входу первого сумматора (9). Второй выход первого порогового устройства (6) подключен к второму входу первого сумматора (9). Первый выход второго порогового устройства (8) подключен к первому входу второго сумматора (10). Второй выход второго порогового устройства (8) подключен к второму входу второго сумматора (10). Выход первого регистратора максимального значения (11) подключен к входу первого регистратора максимального значения времени (13). Регистраторы максимального значения (11, 12) могут быть выполнены в виде микропроцессорного устройства, запрограммированного на определение максимального значения сигнала из поступающей выборки сигналов, а регистратора максимального значения времени (13)-(14) - представляют микропроцессорные устройства, запрограммированные на определение момента времени появления максимального значения сигнала из поступающей выборки сигналов в блоки (11, 12).The output of the first thermographic equipment (5) is connected to the threshold device (6). The second output of the first thermographic equipment (5) is connected to the input of the second threshold device (8). The first output of the first threshold device (6) is connected to the first input of the first adder (9). The second output of the first threshold device (6) is connected to the second input of the first adder (9). The first output of the second threshold device (8) is connected to the first input of the second adder (10). The second output of the second threshold device (8) is connected to the second input of the second adder (10). The output of the first recorder of the maximum value (11) is connected to the input of the first recorder of the maximum value of time (13). The recorders of the maximum value (11, 12) can be made in the form of a microprocessor device programmed to determine the maximum value of the signal from the incoming signal sample, and the recorder of the maximum value of the time (13) - (14) - represent microprocessor devices programmed to determine the time of occurrence the maximum signal value from the incoming signal sample to blocks (11, 12).
Выход второго регистратора максимального значения (12) подключен к входу первого регистратора максимального значения времени (14). Выход первого регистратора максимального значения времени (13) подключен одновременно к первому входу третьего сумматора (15) и первому входу делителя (16). Выход второго регистратора максимального значения времени (14) подключен к второму входу третьего сумматора (15). Выход третьего сумматора (15) подключен к второму входу делителя (16). Выход делителя (16) подключен к первому входу умножителя (17). Выход блока памяти (18) подключен к второму входу умножителя (17). Выход умножителя (17) подключен к входу регистратора результатов (7). Система также включает вторую термографическую аппаратуру (22), устройство перемещения изделия (20), синхронизатор работы системы (19), первый блок сравнения (23), второй блок сравнения (24). Выход первого сумматора (9) подключен к первому входу первого блока сравнения (23).Первый выход первого блока сравнения (23) подключен к входу первого регистратора максимального значения (11). Выход второго сумматора (10) подключен к первому входу второго блока сравнения (24). Первый выход второго блока сравнения (24) подключен к входу второго регистратора максимального значения (12). Второй выход блока памяти (18) подключен одновременно к вторым входам первого блока сравнения (23) и второго блока сравнения (24). Второй выход первого блока сравнения (23) подключен к первому входу синхронизатора работы системы (19). Синхронизатор работы системы представляет собой микропроцессорное устройство, запрограммированное на управление процессом контроля. Выход второго блока сравнения (24) подключен к второму входу синхронизатора работы системы (19). Первый выход синхронизатора работы системы (19) подключен к входу генератора механических колебаний (4). Второй выход синхронизатора работы системы (19) подключен одновременно к входам первой термографической аппаратуры (5) и второй термографической аппаратуры (22). Третий выход синхронизатора работы системы (19) подключен к входу устройства перемещения изделия (20). Устройство перемещения изделия (20) механически связано с контролируемым изделием (1) с возможностью перемещения изделия (1) и - представляет собой механическое устройство для вращения и перемещения контролируемого изделия относительно термографической аппаратуры 5 и 22 и устройства ввода механических колебаний 3. Выход второй термографической аппаратуры (20) подключен к входу второго порогового устройства (8). Первая и вторая термографическая аппаратура (5) и (22) представляет собой каждая тепловизоры.The output of the second recorder of the maximum value (12) is connected to the input of the first recorder of the maximum value of time (14). The output of the first recorder of the maximum time value (13) is connected simultaneously to the first input of the third adder (15) and the first input of the divider (16). The output of the second recorder of the maximum time value (14) is connected to the second input of the third adder (15). The output of the third adder (15) is connected to the second input of the divider (16). The output of the divider (16) is connected to the first input of the multiplier (17). The output of the memory block (18) is connected to the second input of the multiplier (17). The output of the multiplier (17) is connected to the input of the results recorder (7). The system also includes a second thermographic equipment (22), a product movement device (20), a system operation synchronizer (19), a first comparison unit (23), a second comparison unit (24). The output of the first adder (9) is connected to the first input of the first comparison unit (23). The first output of the first comparison unit (23) is connected to the input of the first maximum value recorder (11). The output of the second adder (10) is connected to the first input of the second comparison unit (24). The first output of the second comparison unit (24) is connected to the input of the second recorder of the maximum value (12). The second output of the memory unit (18) is connected simultaneously to the second inputs of the first comparison unit (23) and the second comparison unit (24). The second output of the first comparison unit (23) is connected to the first input of the system operation synchronizer (19). The system operation synchronizer is a microprocessor device programmed to control the control process. The output of the second comparison unit (24) is connected to the second input of the system operation synchronizer (19). The first output of the system operation synchronizer (19) is connected to the input of the mechanical oscillation generator (4). The second output of the system operation synchronizer (19) is connected simultaneously to the inputs of the first thermographic equipment (5) and the second thermographic equipment (22). The third output of the system operation synchronizer (19) is connected to the input of the device for moving the product (20). The device for moving the product (20) is mechanically connected to the controlled product (1) with the possibility of moving the product (1) and is a mechanical device for rotating and moving the controlled product relative to the
Система автоматизированной ультразвуковой термотомографии работает следующим образом.The system of automated ultrasonic thermotomography works as follows.
По сигналу (фиг. 9) синхронизатора работы (фиг. 3) системы 19 (фиг 1) генератор 4 начинает функционировать и через устройство ввода механических колебаний 3 вводит механические колебания частотой ƒ в изделие 1, содержащее залегающий на глубине внутренний дефект 2.According to the signal (Fig. 9) of the synchronizer of operation (Fig. 3) of system 19 (Fig. 1), the
В результате этого, в области дефекта возникают напряжения материала, которые преобразуются во внутренние источники тепловой энергии в области расположения дефекта 2. Тепловая энергия по законам теплопередачи распространяется по материалу контролируемого изделия 1. В результате этого, на двух поверхностях изделия 1 образуются температурные поля Tэ1(t,x,y) и Tэ2(t,x,y). Здесь Tэ1(t,x,y) - изменение температурного поля от времени на первой поверхности, Tэ2(t,x,y) - изменение температурного поля от времени на второй поверхности.As a result, material stresses arise in the area of the defect, which are converted into internal sources of thermal energy in the area of the
Инфракрасное излучение, соответствующее данным температурным полям регистрируется первой и второй термографической аппаратурой (5) и (22), расположенной на противоположных сторонах поверхности контролируемого изделия таким образом, чтобы поля обзора (21) наблюдали один и тот же участок поверхности контролируемого изделия (1). Одновременно с подачей от синхронизатора работы системы (19) сигнала (фиг. 9) на генератор механических колебаний 4 с синхронизатора работы системы (19) поступают сигналы на термографическую аппаратуру 5 и 22 (см. фиг. 1). По этим сигналам термографические аппараты 5, 22 начинают работать и регистрируют покадрово во времени t температурные поля с двух поверхностей контролируемого изделия 1, соответственно.Infrared radiation corresponding to these temperature fields is recorded by the first and second thermographic equipment (5) and (22) located on opposite sides of the surface of the controlled product in such a way that the fields of view (21) observe the same area of the surface of the controlled product (1). Simultaneously with the supply of a signal from the synchronizer of the system (19) (Fig. 9) to the generator of
Цифровые видеоизображения с двух комплектов термографической аппаратуры 5 и 22, соответствующие данным температурным полям с двух противоположных поверхностей контролируемого изделия 1 поступает, соответственно, на входы первого и второго пороговых устройств 6 и 8.Digital video images from two sets of
Данные пороговые устройства разделяют температурные поля Tэ1(t,x,y) и Tэ2(t,x,y) на «дефектные» и «качественные» области: соответственно, Tэ1д(t,x,y), Tэ1к(t,x,y) и Tэ2д(t,x,y), Tэ2к(t,x,y), путем сравнения Tэ1д(t,x,y) и Tэ1к(t,x,y) с пороговым уровнем, который соответствует признаку наличия дефекта в области зарегистрированного температурного поля.These threshold devices separate the temperature fields T e1 (t, x, y) and T e2 (t, x, y) into “defective” and “quality” areas: respectively, T e1d (t, x, y), T e1k ( t,x,y) and T e2d (t, x, y), T e2k (t, x, y), by comparing T e1d (t, x, y) and T e1k (t, x, y) with a threshold level, which corresponds to the sign of the presence of a defect in the region of the registered temperature field.
Значения Tэ1д(t,x,y), Tэ1к(t,x,y) с соответствующих двух выходов первого порогового устройства 6 поступают на входы первого сумматора (9).The values of T e1d (t, x, y), T e1k (t, x, y) from the corresponding two outputs of the
Значения Tэ2д(t,x,y), Tэ2к(t,x,y) с соответствующих двух выходов второго порогового устройства 8 поступают на входы второго сумматора 10.The values of T e2d (t, x, y), T e2k (t, x, y) from the corresponding two outputs of the
В первом сумматоре 9 осуществляется измерение абсолютной величины разности сигналов Tэ1д(t,x,y), Tэ1к(t,x,y):In the
ΔTэ1(t,x,y)=|Tэ1д(t,x,y)-Tэ1к(t,x,y)|.ΔT e1 (t,x,y)=|T e1d (t,x,y)-T e1k (t,x,y)|.
Соответственно во втором сумматоре 10 осуществляется измерение абсолютной величины разности сигналов Tэ2д(t,x,y), Tэ2к(t,x,y):Accordingly, in the
ΔTэ2(t,x,y)=|Tэ2д(t,x,y)-Tэ2к(t,x,y)|.ΔT e2 (t,x,y)=|T e2d (t,x,y)-T e2k (t,x,y)|.
Сигналы ΔTэ1(t,x,y) и ΔTэ2(t,x,y) с выходов сумматоров 9 и 10 поступают на входы первого 23 и второго 24 устройств сравнения.The signals ΔT e1 (t,x,y) and ΔT e2 (t,x,y) from the outputs of the
В данных устройствах осуществляется анализ и подтверждение наличия дефекта в зарегистрированной температурной области следующим образом:In these devices, the analysis and confirmation of the presence of a defect in the registered temperature range is carried out as follows:
ЗдесьHere
1 - признак наличия дефекта,1 - a sign of a defect,
0 - признак отсутствия дефекта.0 - a sign of no defect.
ε - величина температурного шума поверхности.ε is the value of the temperature noise of the surface.
Величина ε поступает в устройства сравнения 23 и 24 с блока памяти 18.The value of ε enters the
Если в зарегистрированных температурных полях дефекта не обнаружено, т.е. ΔTэ1(t,x,y)<ε и ΔTэ2(t,x,y)<ε, с выхода синхронизатора работы (фиг. 3) устройства 19 поступают сигналы (см. фиг. 9):If no defect is found in the registered temperature fields, i.e. ΔT e1 (t,x,y)<ε and ΔT e2 (t,x,y)<ε, signals are received from the output of the work synchronizer (Fig. 3) of the device 19 (see Fig. 9):
- на устройство перемещения изделия 20. По этому сигналу устройство 20 перемещает изделие для контроля следующего участка поверхности (25),- to the device for moving the
- на термографическую аппаратуру 5 и 22. По эти сигналам термографическая аппаратура начинает обследование следующего участка 25 изделия 1.- to
Если дефект обнаружен, т.е ΔTэ1(t,x,y)≥ε и ΔTэ2(t,x,y)≥ε, сигналы с первых выходов устройств сравнения 23 и 24 поступаю на входы регистраторов максимального значения сигналов 11 и 12, соответственно.If a defect is detected, i.e. ΔT e1 (t,x,y) ≥ε and ΔT e2 (t,x,y)≥ε, the signals from the first outputs of the
В этих устройствах осуществляется выделение из временной совокупности сигналов ΔTэ1(t,x,y) и ΔTэ2(t,x,y) максимальных значений сигналов: ΔTэмах1(t,x,y) и ΔTэмах2(t,x,y).In these devices, the maximum signal values ΔT e1 (t, x, y) and ΔT e2 (t, x, y) and ΔT emax2 ( t, x, y) ).
Эти сигналы с выходов блоков 11 и 12 поступают, соответственно, на входы блоков: первый регистратор максимального значения времени 13 и второй регистратор максимального значения времени 14.These signals from the outputs of
В блоках 13 и 14 осуществляется измерение значений времени, соответствующих сигналам ΔTэмах1(t,x,y) и ΔTэмах2(t,x,y): tэopt1 и tэopt2 и соответствующий пересчет в значения 
Сигналы 
Далее сумма сигналов А из третьего сумматора 15 и сигнал tэopt1 поступает в делитель 16, где осуществляется деление:Further, the sum of the signals A from the
Сигнал В поступает в умножитель 17, на другой вход которого поступает сигнал «H» и блока памяти 18, где осуществляется определение глубины залегания дефекта «h»:The signal B enters the
здесь Н - полная толщина контролируемого изделия.here H is the total thickness of the controlled product.
Значение «h» из блока 17 передается на регистратор 7.The value "h" from
После завершения выполнения операций и передачи значения «h» из блока 17 на регистратор 7, с выхода регистратора 7 на вход синхронизатора работы системы 19 поступает управляющий сигнал.After completing the operations and transferring the value "h" from
По этому сигналу с выходов 1, 2. 3 синхронизатора 19 поступают сигналы (см. фиг. 9), соответственно, на генератор механических колебаний 4, термографическую аппаратуру 5 и 22 и устройство перемещения изделия 20 и работа системы автоматизированной ультразвуковой термографии повторяется до тех пор, пока не будет обследована вся поверхность контролируемого изделия.According to this signal, signals are received from the
Физический смысл формулы определения глубины залегания поясняется фиг. 5, фиг. 7 и фиг. 8.The physical meaning of the formula for determining the depth of occurrence is illustrated in Fig. 5, fig. 7 and FIG. eight.
Температурное поле, образовавшееся в области дефекта 2, фиг. 8, распространяется по законам теплофизики в материале контролируемого изделия 1 в соответствии с уравнением теплопроводности:The temperature field formed in the region of
где с - удельная теплоемкость, ρ - плотность, λ - коэффициент теплопроводности, Т - температура, отсчитываемая от температуры среды, t - время от начала нагрева, q - удельная мощность источника тепла на единицу объема.where c is the specific heat capacity, ρ is the density, λ is the thermal conductivity coefficient, T is the temperature measured from the temperature of the medium, t is the time from the start of heating, q is the specific power of the heat source per unit volume.
На поверхностях испытываемого образца в форме пластины имеет место граничное условие свободной конвекции:On the surfaces of the test sample in the form of a plate, the boundary condition of free convection takes place:
где h - коэффициент конвективной теплоотдачи в воздух, знак «плюс» выбирается на нижней поверхности пластины 
Начальная температура во всех внутренних и граничных точках равна температуре среды:The initial temperature at all internal and boundary points is equal to the temperature of the medium:
T(0,x,y,z)=0.T(0,x,y,z)=0.
Зависимости температуры от времени в точках поверхностей пластины, ближайших к источнику тепла: 
где V - коэффициент пропорциональности.where V is the coefficient of proportionality.
Таким образом, время от прекращения ультразвукового воздействия до достижения максимума температуры пропорционально квадрату расстояния от точки до дефекта. При другой форме тарировочной кривой возможно применение другой аппроксимации, что не снижает общности рассуждения.Thus, the time from the cessation of ultrasonic exposure to reaching the maximum temperature is proportional to the square of the distance from the point to the defect. With a different form of the calibration curve, it is possible to use a different approximation, which does not reduce the generality of the reasoning.
Обозначим коэффициент аппроксимации кривой через V. Тогда время достижения максимума температуры в точке поверхности на расстоянии h будет равно:Let us denote the coefficient of approximation of the curve through V. Then the time to reach the maximum temperature at a point on the surface at a distance h will be equal to:
tэopt1=h2/V, откуда V=h2/tэopt1 t eopt1 \u003d h 2 / V, from where V \u003d h 2 / t eopt1
Соответственно можно написатьAccordingly, one can write
V=(H-h)2/tэopt2 V=(Hh) 2 /t eopt2
Приравнивая правые части уравнений, получаемEquating the right sides of the equations, we obtain
h2/tэopt1=(H-h)2/tэopt2.h 2 /t eopt1 \u003d (Hh) 2 /t eopt2 .
Решая данное уравнение, получаем:Solving this equation, we get:
Наличие двух термографических аппаратов 5, 22 и синхронизатора 19 обусловлено необходимостью регистрации температурных полей с двух поверхностей контролируемого изделия 1 в одни и те же моменты времени для того, чтобы исключить ошибку, вызванную изменением регистрируемого температурного поля на поверхностях во времени. Это особенно актуально для материалов с большой теплопроводностью.The presence of two
Таким образом, осуществляется способ обнаружения дефектов типа нарушения сплошности и определения глубины залегания дефектов автоматизированной ультразвуковой термотомографии.Thus, a method for detecting defects such as discontinuity and determining the depth of occurrence of defects in automated ultrasonic thermal tomography is implemented.
Экспериментальные исследования возможности предлагаемой системы автоматизированной ультразвуковой термотомографии проводились на установке, функциональная схема которой приведена на фиг. 1, а фотография установки приведена на фиг. 2.Experimental studies of the possibility of the proposed system of automated ultrasonic thermal tomography were carried out on an installation, the functional diagram of which is shown in Fig. 1, and a photograph of the setup is shown in Fig. 2.
Исследования проводились следующим образом.The research was carried out in the following way.
На крупногабаритное изделие (1) фиг. 2 накладывались образцы с искусственными дефектами. Далее осуществлялось перемещение изделия в соответствии с описанием заявляемой системы и осуществлялась его ультразвуковая термотомография. Всего было подготовлено три различных образца с различными дефектами.On a large-sized product (1) of Fig. 2 superimposed samples with artificial defects. Next, the product was moved in accordance with the description of the proposed system and its ultrasonic thermotomography was carried out. In total, three different samples with different defects were prepared.
Изготовлен образец с расслоением на торце фиг. 10.A sample with delamination at the end of Fig. ten.
Изготовлен образец с внутренними дефектами типа расслоение - фиг. 11.A sample with internal defects of the delamination type was made - Fig. eleven.
По результатам предварительного неразрушающего контроля выбран образец с внутренней трещиной.According to the results of preliminary non-destructive testing, a sample with an internal crack was selected.
Предварительно измерена глубина залегания дефектов.The depth of the defects was preliminarily measured.
Образцы с дефектами устанавливались на крупногабаритное изделие и осуществлялась автоматизированная ультразвуковая термотомография изделия с образцами в соответствии с описанием предлагаемой системы.Samples with defects were installed on a large-sized product and automated ultrasonic thermal tomography of the product with samples was carried out in accordance with the description of the proposed system.
Температурное поле регистрировалось двумя комплектами термографической аппаратуры ИРТИС-2000 с двух поверхностей одновременно и обрабатывалось в соответствии с описанием.The temperature field was recorded by two sets of IRTIS-2000 thermographic equipment from two surfaces simultaneously and processed in accordance with the description.
На фиг. 4, в качестве примера, приведены типовые термограммы с наружной термографической аппаратуры.In FIG. 4, as an example, shows typical thermograms from outdoor thermographic equipment.
Расчет погрешности определения глубины залегания показал, что погрешность не превышает 11%, что с учетом шумов и помех поверхности в условиях автоматизированного процесса контроля, где затруднительно использовать методы повышения отношения сигнал/шум, вполне удовлетворяет требованиям практического контроля.The calculation of the error in determining the depth of occurrence showed that the error does not exceed 11%, which, taking into account the noise and interference of the surface under the conditions of an automated control process, where it is difficult to use methods to increase the signal-to-noise ratio, fully satisfies the requirements of practical control.
По результатам контроля формировалась дефектограмма (фиг. 6) с указанием координат дефектов, площади и глубины залегания дефектов.According to the results of the control, a defectogram was formed (Fig. 6) indicating the coordinates of the defects, the area and depth of the defects.
Представленная система имеет следующие преимущества:The presented system has the following advantages:
- обеспечивает автоматизированный процесс термотомографии, что позволяет повысить, соответственно, производительность контроля, объективность результатов контроля и т.п.- provides an automated process of thermal tomography, which allows you to increase, respectively, the productivity of control, the objectivity of the results of control, etc.
- обеспечивают точность определения глубины залегания дефектов типа нарушения сплошности в ПКМ, приемлемая для практического использования - не более 11%, что с учетом шумов и помех поверхности в условиях автоматизированного процесса контроля, где затруднительно использовать методы повышения отношения сигнал/шум, вполне удовлетворяет требованиям практического контроля,- provide an accuracy of determining the depth of occurrence of defects such as discontinuity in PCM, acceptable for practical use - no more than 11%, which, taking into account noise and surface interference in an automated control process, where it is difficult to use methods to increase the signal-to-noise ratio, fully satisfies the requirements of practical control,
- позволяют повысить надежность эксплуатации контролируемых конструкций (особенно работающих на пределе остаточного ресурса),- allow to increase the reliability of operation of controlled structures (especially those operating at the limit of residual life),
- позволяют снизить вероятность аварий за счет определения реальных технических характеристик конструкций,- allow to reduce the probability of accidents by determining the real technical characteristics of structures,
- позволяет обнаруживать «слипнутые» (т.е. соединяющиеся) дефекты и микродефекты, обнаружение которых другими методами затруднительно, и определять их глубину залегания в процессе автоматизированного контроля.- allows you to detect "sticky" (i.e. connecting) defects and microdefects, which are difficult to detect by other methods, and determine their depth in the process of automated control.
Claims (47)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2772403C1 true RU2772403C1 (en) | 2022-05-19 |
Family
ID=
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2791424C1 (en) * | 2022-12-07 | 2023-03-07 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" | Ultrasonic infrared thermography device with focusing acoustic lens |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1402922A1 (en) * | 1986-06-06 | 1988-06-15 | Сумское Производственное Объединение "Электрон" | Device for thermoacoustic flaw detection of near-surface layers of solids |
| US6236049B1 (en) * | 1999-09-16 | 2001-05-22 | Wayne State University | Infrared imaging of ultrasonically excited subsurface defects in materials |
| RU2171469C1 (en) * | 2000-11-10 | 2001-07-27 | Будадин Олег Николаевич | Technology of nondestructive test of quality of object and gear for its implementation |
| US6399948B1 (en) * | 1999-09-16 | 2002-06-04 | Wayne State University | Miniaturized contactless sonic IR device for remote non-destructive inspection |
| RU2383009C2 (en) * | 2007-11-22 | 2010-02-27 | Олег Николаевич Будадин | Method for thermal control of residual stresses and defects of structure |
| US9410853B2 (en) * | 2012-06-21 | 2016-08-09 | Siemens Energy, Inc. | Guided wave thermography methods and systems for inspecting a structure |
| RU2686498C1 (en) * | 2018-08-13 | 2019-04-29 | Акционерное общество "Центральный научно-исследовательский институт специального машиностроения" (АО "ЦНИИСМ") | Ultrasonic thermotomography method and device for its implementation |
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1402922A1 (en) * | 1986-06-06 | 1988-06-15 | Сумское Производственное Объединение "Электрон" | Device for thermoacoustic flaw detection of near-surface layers of solids |
| US6236049B1 (en) * | 1999-09-16 | 2001-05-22 | Wayne State University | Infrared imaging of ultrasonically excited subsurface defects in materials |
| US6399948B1 (en) * | 1999-09-16 | 2002-06-04 | Wayne State University | Miniaturized contactless sonic IR device for remote non-destructive inspection |
| RU2171469C1 (en) * | 2000-11-10 | 2001-07-27 | Будадин Олег Николаевич | Technology of nondestructive test of quality of object and gear for its implementation |
| RU2383009C2 (en) * | 2007-11-22 | 2010-02-27 | Олег Николаевич Будадин | Method for thermal control of residual stresses and defects of structure |
| US9410853B2 (en) * | 2012-06-21 | 2016-08-09 | Siemens Energy, Inc. | Guided wave thermography methods and systems for inspecting a structure |
| RU2686498C1 (en) * | 2018-08-13 | 2019-04-29 | Акционерное общество "Центральный научно-исследовательский институт специального машиностроения" (АО "ЦНИИСМ") | Ultrasonic thermotomography method and device for its implementation |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Нестерук Д.А., Хорев В.С., Коробов К.Н. Инфракрасно-ультразвуковой контроль воды в сотовых панелях самолета. Контроль и диагностика, 2011, номер 1, с.13-16. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2791424C1 (en) * | 2022-12-07 | 2023-03-07 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" | Ultrasonic infrared thermography device with focusing acoustic lens |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| De Angelis et al. | A new technique to detect defect size and depth in composite structures using digital shearography and unconstrained optimization | |
| Garnier et al. | The detection of aeronautical defects in situ on composite structures using Non Destructive Testing | |
| Tighe et al. | Identification of kissing defects in adhesive bonds using infrared thermography | |
| Tao et al. | Shearography non-destructive testing of thick GFRP laminates: Numerical and experimental study on defect detection with thermal loading | |
| RU2506575C1 (en) | Method of thermal monitoring of reliability of structures from polymer composite materials by analysis of internal stresses and device for its realisation | |
| Kadlec et al. | A comparison of laser shearography and C-scan for assessing a glass/epoxy laminate impact damage | |
| Anouncia | Digital interferometry with image processing and computational techniques for NDT of composite materials | |
| Misokefalou et al. | Non-destructive testing for quality control in automotive industry | |
| Meola et al. | Composite material overview and its testing for aerospace components | |
| Thomas | Overview of nondestructive evaluation technologies | |
| Riccio et al. | Experimental investigation of delamination growth in composite laminates under a compressive load | |
| Tao et al. | Towards safe shearography inspection of thick composites with controlled surface temperature heating | |
| RU2690033C1 (en) | Method of electric power thermography of spatial objects and device for its implementation | |
| Martens et al. | Monitoring multiple damage mechanisms in crack‐patched structures using optical infrared thermography | |
| RU2686498C1 (en) | Ultrasonic thermotomography method and device for its implementation | |
| Vavilov | Thermal nondestructive testing: Development of conventional directions and new trends (A review) | |
| RU2772403C1 (en) | Automated ultrasonic thermal tomography system | |
| RU2616438C1 (en) | Method of thermal controlling composite materials | |
| Wishaw et al. | Comparative vacuum monitoring: A new method of in-situ real-time crack detection and monitoring | |
| Stankovičová et al. | Nondestructive testing of metal parts by using infrared camera | |
| Light | Nondestructive evaluation technologies for monitoring corrosion | |
| RU2740183C1 (en) | Method of electric power thermography of spatial objects with noisy surface and device for its implementation | |
| Haridas et al. | Nondestructive characterization of thermal damages and its interactions in carbon fibre composite panels | |
| Palumbo et al. | Assessment of TSA Technique for the Estimation of CFRP T-Joint Debonding | |
| RU2776464C1 (en) | Method for automated ultrasonic thermo-optical non-destructive testing of composite materials in hard-to-reach zones and device for its implementation |