Главная Коллекция "Otherreferats" Физика и энергетика Тепловой метод индикации параметров скрытых дефектов

Тепловой метод индикации параметров скрытых дефектов

Дефектометрия на основе анализа температурного отклика, на передней поверхности пластины после импульсного нагрева. Тепловая дефектометрия путем минимизации функционала невязки (метод неленейной фильтрации). Определение поперечных размеров дефектов.

Рубрика Физика и энергетика
Вид курсовая работа
Язык русский
Дата добавления 17.04.2013
Размер файла 2,6 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное агентство по образованию

Институт радиоэлектроники, сервиса и диагностики

ИРСИД

Кафедра "Приборы и методы контроля качества и диагностики"

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине "Радиоволновой, тепловой и оптический методы неразрушающего контроля".

Тема: "Тепловой метод индикации параметров скрытых дефектов".

Выполнил: студент 6 курса

группа ЗПУ-619

В.В. Васильев

Проверил: преподаватель

Е.В. Кондратенко

г. Омск 2012

Содержание

  • Введение
  • 1. Дефектометрия на основе анализа температурного отклика, на передней поверхности пластины после импульсного нагрева
  • Метод "кажущейся" тепловой инерции (нагрев импульсом Дирака)
  • Определение глубины залегания дефекта по моменту его оптимального проявления
  • Определение теплового сопротивления дефектов с использованием момента температуры нулевого порядка
  • Тепловая дефектометрия резистивных дефектов в пространстве лапласа
  • 2. Теплова дефектометрия путем минимизации функционала невязки (метод неленейной фильтрации)
  • Использование классических решений
  • Использование многомерных численных решений
  • 3. Определение поперечных размеров дефектов
  • Использование пространственных профилей температуры
  • Функция точечного источника и инверсия размеров внутренних дефектов в пространстве Фурье
  • Заключение
  • Список литературы

Введение

Температура, как количественный показатель внутренней энергии тел, является универсальной характеристикой объектов и процессов физического мира, в котором непрерывно происходит генерация, преобразование, передача, накопление и использование энергии в ее различных формах. Анализ тепловых процессов (температурных полей, потерь тепла и т.п.) позволяет получить разнообразную информацию о состоянии объектов и протекании физических процессов в природе, энергетике, строительстве, промышленности и медицине. Идеи теплового контроля (ТК) восходят к началу ХХ века, хотя первые попытки дистанционного обнаружения животных и людей по их инфракрасному излучению с помощью термопарных датчиков были сделаны еще в XIX веке. Идеи теплового контроля (ТК) восходят к началу XX века, хотя первые попытки дистанционного обнаружения животных и людей по их инфракрасному (ИК) излучению с помощью термопарных датчиков были сделаны еще в XIX веке. В 1914 г.Р. Паркер получил патент на ИК-детектор айсбергов. В 1934 г.Г. Баркер предложил использовать ИК-датчики для обнаружения лесных пожаров. Одно из первых промышленных применений ИК техники было связано с анализом температурных полей горячекатаных металлических листов (Дж. Никольс, 1935). Современный анализ теплофизических свойств материалов восходит к работе П. Верно, опубликованной в 1937 г. Начиная с 60-х годов XX века, во многом благодаря появлению на рынке коммерческих тепловизоров шведской фирмы AGA (затем AGEMA Infrared Systems, в настоящее время американская фирма FLIR Systems), тепловидение стало широко использоваться при испытаниях электротехнических установок и радиоэлектронных компонент. По-видимому, одна из первых процедур динамического ТК была реализована в 1965 г.У. Беллером, который предложил контролировать корпуса двигателей ракеты "Поларис" путем перемещения их из холодного помещения в теплое. Д. Грин выполнил исследование по активному ТК тепловыделяющих элементов ядерных реакторов, в котором решил проблему учета коэффициента излучения.

К концу 70-х годов XX века применения ИК-техники в НК оставались скорее качественными, что не позволило тепловому методу успешно конкурировать с другими методами НК. Новый уровень использования ТК стал возможным с внедрением достижений теории теплопроводности, основы которой изложены в известных монографиях X. Карслоу и Д. Эгера и А.В. Лыкова. "Теплофизический" подход к ТК использовали в своих работах Д. Балажа, В.П. Вавилов и Р. Тейлор, П. Маклафлин и X. Мирчандани, Ю.А. Попов и А.Е. Карпельсон и другие исследователи, которые ввели в рассмотрение одно-, двух - и трехмерные модели дефектов.

1. Дефектометрия на основе анализа температурного отклика, на передней поверхности пластины после импульсного нагрева

Метод "кажущейся" тепловой инерции (нагрев импульсом Дирака)

В случае однородного тела тепловая инерция, не зависит от времени, поэтому возможные отклонения экспериментального значения е от эталонного значения следует трактовать как наличие в теле областей с неоднородными ТФХ.

Рисунок 1 Метод "кажущейся" тепловой инерции: а - изменение поверхности температуры изделия после импульсивного нагрева (1 - однослойное изделие; 2 - двуслойное изделие с идеальным тепловым контактом; 3 - двухслойное изделие с дефектом между слоями)

Рисунок 2 Метод "кажущейся" тепловой инерции: б - изменение экспериментального значения тепловой инерции для изделия из углепластика с двумя фторопластовыми вставками размером 20 *20 мм

Кривую изменения поверхностной температуры во времени строят в координатах "In (T) - ln (т)". В идеальном случае однородного адиабатического полубесконечного тела это должна быть прямая линия (Рисунок 1 Метод "кажущейся" тепловой инерции:Рисунок 1 Метод "кажущейся" тепловой инерции:кривая 1). На практике конечная длительность импульса, конечная толщина изделия и потери тепла в окружающую среду искажают прямолинейный вид температурной функции (см. поведение кривой 1 на Рисунок 1, в конце процесса). Двухслойное изделие с идеальным тепловым контактом между слоями характеризуется кривой 2, тогда как наличие внутреннего дефекта приводит к кривой 3 (Рисунок 1).

С целью исключить влияние возмущающих факторов рассматривают бездефектную (эталонную) зону с тепловой инерцией. Тогда отношение текущего значения тепловой инерции к эталонному выражается прямой линией, параллельной оси времени везде, кроме дефектных участков. Пример экспериментальных данных приведен на Рисунок 2. Чем глубже дефект, тем позже возникает соответствующее искажение функции e/end и тем меньше амплитуда этого искажения. Дефект можно характеризовать двумя безразмерными параметрами: Bi (/ = l/ (лRd) и Fod= аф/l2. Каждому дефекту с теплопроводностью ниже теплопроводности основного материала на кривой e/end (ф) соответствует точка с координатами Fodmin и (е/end) min, которые связаны с параметрами дефекта следующими формулами:

1 (e/end) min=Fo d min-0.528 (1)

Fod min =1 + 0,62Bid-1 (2)

Формулы для определения глубины залегания и теплового сопротивления дефекта предложены в следующем виде:

дефектометрия температурный отклик нагрев

l=nd) min0.95 (3)

Очевидно, что точка минимального значения (e/end) min соответствует максимальному температурному сигналу в рамках теории, поэтому решение обратной задачи ТК может быть также получено для времени ф Ѕ или других характерных времен теплопередачи.

Описанный метод был использован для идентификации дефектов в углепластике. Погрешность метода оценена на уровне 20 % по глубине залегания дефектов и 40 % по их толщине.

Использование ранних времен наблюдения.

Термин "раннее время наблюдения" (early detection method) был предложен группой Д. Балажа для определения момента времени, когда температурный сигнал начинает превышать уровень шума. Очевидно, что отношение сигнал/шум при этом ниже, чем в момент оптимального наблюдения, но форма скрытых дефектов воспроизводится более точно вследствие слабой объемной диффузии тепла. Кроме того, тепловое сопротивление (толщина) дефектов при ранних временах наблюдения практически не влияет на поверхностную температуру в дефектной зоне, поэтому метод раннего времени наблюдения пригоден для оценки глубины залегания дефектов:

l=) (4)

где ф () - момент времени, когда регистрируют контраст Crun. Ошибка определения l по не превышает 4 % для дефектов с высоким тепловым сопротивлением Rd. Точность инверсии тем выше, чем раньше регистрируют различие между дефектным сигналом и бездефектным уровнем. Фактически авторы предлагают применять для сигналов, величина которых начинает превышать уровень шума, в частности, рекомендуется выбирать Crun ~ 1.3%.

Для дефектов с низким значением Rd предложена другая формула инверсии:

Сrun= 200 exp [-1/Fo*] (1- (5)

Где Fo*= az ф/l2; R* = Rd лz/l. Поскольку выражение содержит R* в неявном виде, его следует использовать в интерактивном процессе для Rd. Наилучшая точность (~2%) была получена для низких значений контраста.

Дефектометрия тонких теплопроводных образцов при импульсном нагреве.

Ф. Делпеш и др. предложили следующую аппроксимацию температуры передней поверхности двухслойной пластины с резистивным дефектом в случае тонких теплопроводных изделий, нагреваемых импульсом Дирака:

ТF (ф) = (в1 е-в2 + в3 е-в4 (6)

Вариационный анализ показал, что коэффициенты в1 и в2, в основном определяемые первым корнем трансцендентного уравнения, слабо зависят от параметров внутренних дефектов, причем параметр в2 связан с интенсивностью теплоотдачи б. Коэффициенты в3 и в4, определяемые вторым корнем трансцендентного уравнения, связаны соответственно с глубиной залегания дефекта l и его тепловым сопротивлением Rd.

"Индивидуальные" функции инверсии

В.П. Вавилов с соавторами предложили способ решения обратных задач ТК, основанный на аппроксимации набора численных решений прямых задач полиномиальными функциями. Термин "индивидуальный" означает, что анализируют ограниченный круг материалов и процедур их испытаний (в идеальном случае, один материал и одну выбранную процедуру испытаний). Очевидно, что таким образом можно обеспечить наивысшую точность инверсии.

Для изделий из углепластика погрешность инверсии составляет ~ 5 % по l и ~25 % по d, тем не менее ограниченность формул очевидна. Кроме того, в выражение для толщины расслоений введены их поперечные размеры, которые должны быть оценены дополнительно. Тем не менее, для расслоений в углепластике, представляющих практический интерес (h > 10 мм), экспоненциальным членом можно пренебречь, придя, таким образом, к одномерному случаю.

Определение глубины залегания дефекта по моменту его оптимального проявления

Если момент оптимального наблюдения фm (кm) >>фh, то приближенную оценку глубины залегания дефекта, свойства которого резко отличаются от свойств основного материала, можно получить путем инверсии формулы:

l= (7)

Рекомендуется для оценки глубины залегания газонаполненных дефектов на глубинах значительно меньших полной толщины объекта контроля.

Если длительность нагрева соизмерима, но меньше фm, то реалистичные оценки можно получить по следующей формуле:

l= (8)

Определение теплового сопротивления дефектов с использованием момента температуры нулевого порядка

Алгоритм предложен Д. Боше и др. ни основе анализа задачи нагрева пластины, нагреваемой тепловым импульсом. Моментом температуры нулевого порядка (zero-order temporal moment) назван интеграл М =, который стремится к бесконечности в адиабатичеcком процессе {T (ф - " ) => Т?}. При наличии в теле дефекта с тепловым сопротивлением Rd на глубине l, "бездефектную" температурную функцию Т (ф) заменяют "дефектной" функцией Tв (ф), которая отклоняется от основной функции в течение некоторого периода времени (времени "видности" дефекта).

Тепловая дефектометрия резистивных дефектов в пространстве лапласа

Как отмечалось выше, применение преобразования Лапласа является основным методом решения задач нагрева многослойных изделий. При этом решения получают в громоздком, но явном виде. Тем не менее, инверсия "многослойных" решений в явном виде невозможна. А. Деджиованни и сотрудники предложили оказавшуюся весьма плодотворной идею определения параметров резистивных дефектов в пространстве Лапласа, т.е. без возвращения в пространство оригиналов. Оказалось, что, поскольку соответствующие выражения в пространстве Лапласа) являются алгебраическими, то они могут быть решены относительно искомых величин l и d (Rd).

Имея дело с двумя неизвестными параметрами дефектов, необходимо либо использовать решения для обеих поверхностей изделия, либо использовать решения для одной из поверхностей, но для двух моментов времени ф1 и ф2, которые соответствуют двум значениям переменной Лапласа в пространстве изображений р1 и р2. Известно, что система двух уравнений с двумя неизвестными имеет однозначное решение в случае линейной независимости уравнений

2. Теплова дефектометрия путем минимизации функционала невязки (метод неленейной фильтрации)

Использование классических решений

При анализе экспериментальных функционал невязки определяют как разность двух цифровых последовательностей, одна из которых является результатом эксперимента, а вторая следует из теоретической модели, зависящей от подлежащих определению параметров qj (j = 1. М). Используя итеративный процесс приближения к глобальному минимуму в М-мерном пространстве параметров qj, можно оценить их значения. Для ряда параметров TК, например для толщины дефектов, глобальный минимум соответствующего функционала является достаточно "плоским", поэтом точность оценки таких параметров может быть низкой, а в некоторых случаях обратная задача может не иметь корректного решения. Очевидно, что метод минимизации функционала требует использования разумного нулевого приближения, является времяемким и может быть реализован с помощью относительно мощных компьютеров, особенно, если речь идет об обработке полноформатных изображений.

Используя в качестве базисных функций классические решения теории теплопроводности, можно оценивать значения ТФХ материалов и параметры процесса теплообмена. Э. Гринцато и С. Маринетти применили такой подход, названный ими методом нелинейной фильтрации (non-linear filtration), для анализа процесса нагрева пластины известной толщины и теплопроводности. В качестве теоретической модели были использованы решения задачи нагрева неадиабатической пластины, и полуограниченного неадиабатического тела прямоугольным тепловым импульсом. Для минимизации среднеквадратических отклонений был применен метод Левенберга-Маркуорда (Levenberg-Marquardt), который хорошо проявил себя на практике и сейчас является стандартным приемом перемещения в пространстве признаков с использованием нелинейного метода наименьших квадратов.

В работе искомым параметром при анализе двусторонней процедуры ТК пластины из углепластикового композита был коэффициент температуропроводности a, значение которого сравнивали с полученным по методу Паркера. Был сделан вывод о том, что точность определения а с помощью нелинейной фильтрации выше, чем при использовании других алгоритмов, главным образом, благодаря учету поверхностного теплообмена.

Была также продемонстрирована возможность оценки температуропроводности в односторонней процедуре, хотя сходимость итеративного процесса в этом случае была хуже и сам процесс расчета был более длительным.

Рисунок 3 Иллюстрация к методу нелинейной фильтрации с использованием классического решения задачи нагрева неадиабатической пластины на задней (а) поверхности

Рисунок 4 Иллюстрация к методу нелинейной фильтрации с использованием классического решения задачи нагрева неадиабатической пластины на передней (б) поверхности

На Рисунок 3 в качестве иллюстрации показано пространство двух параметров, по которым производили нелинейную фильтрацию: коэффициента температуропроводности а и теплообмена а. Очевидно, что наиболее устойчивым и точным является анализ температуры на задней поверхности: итеративный процесс, начатый с любой пары начальных значений {а, а} приводит к глобальному минимуму, который отчетливо виден на графике в виде центральной "впадины" (Рисунок 3). В то же время на передней поверхности в силу того, что минимум имеет форму "каньона", возможен пропуск корректного значения а при перемещении в вертикальном направлении вдоль значений а (Рисунок 4).

Используя решение для полуограниченного тела, в односторонней процедуре ТК одновременно определяли тепловую инерцию е и отношение поглощенной плотности мощности нагрева к коэффициенту теплоотдачи Q/a.

Алгоритм нелинейной фильтрации оказался более устойчивым к высокочастотным шумам, чем полиномиальная аппроксимация и сглаживание данных с помощью стандартных фильтров.

Сходный алгоритм идентификации был применен Ф. Делпешем и др. при дефектометрии тонких теплопроводных изделий, нагреваемых прямоугольным импульсом. Использовано два метода идентификации согласно упрощенному решению, в котором два коэффициента (в3 и в4) связаны соответственно с глубиной залегания дефекта l1 и его тепловым сопротивлением Rd. Метод Левей берга-Маркуорда, в принципе пригодный для оценки всех четырех коэффициентом в, в силу своей громоздкости был использован на практике лишь для отдельных точек. Более быстрым оказался метод анализа взвешенных временных интегралом, примененный к экспериментальным термограммам в случае адиабатической модели (в2 = 0). Точность использовании данной модели при дефектометрии двух стальных пластин толщиной 1 мм каждая и разделенных воздушным зазором толщиной 34 мкм составила 5 %.

Более сложную одномерную модель двухслойной пластины с резистивным дефектом использовали Ж. Крапе и П. Съело. Моделировали равномерный нагрев пластины тепловым потоком, который проникал на определенную глубину согласно закону Ламберта - Бера. Аналитическое решение задачи Ti (qi,фi) было получено с помощью функций Грина в весьма громоздком виде, тем не менее, инверсия данных занимала всего 20 с машинного времени. Такой подход может быть реализован также в рамках много мерных моделей ТК.

Метод нелинейной фильтрации в последнее время представляется наиболее надежным при идентификации нескольких неизвестных параметров, если анализируемый процесс поддается корректному моделированию.

Использование многомерных численных решений

В 1988 г. Д.В. Кущ, Д.А. Рапопорт и О.Н. Будадин применили метод минимизации функционала для Анализа двухмерных температурных функций, образованных в результате строчного сканирования изделия. Примечательно, что "прямолинейная" минимизация потребовала до 56 итераций и 168 минут процессорного времени на компьютере ЕС-1055, который по тем временам был одним из лучших в СССР. Погрешность определения параметров дефектов была на уровне 20 %. С целью сократить времяемкие вычисления, авторы проанализировали связи температурных сигналов с параметрами ожидаемых дефектов в конкретном материале, благодаря чему удалось сократить время вычислений до I.5 мин.

Ж. Крапе, П. Съело и К. Малдаг использовали двухмерную цилиндрическую модель.

Входными экспериментальными параметрами были:

максимальный текущий контраст

время "половины нарастания максимального сигнала" (half-rise time), которое определяли на нарастающей ветви функции температурного сигнала над дефектом;

время "половины спада максимального сигнала" (half-drop time), которое определяли на спадающей ветви функции температурного сигнала над дефектом;

видимый поперечный размер дефекта, определяемый по максимуму поверхностного градиента.

Выходными (определяемыми) параметрами были:

нормализованная глубина залегания дефекта;

нормализованное тепловое сопротивление дефекта;

поперечный размер дефекта;

коэффициент теплообмена.

Как и в случае одномерной модели, метод наименьших квадратов был применен в комбинации с методом Левенберга-Маркуорда. Данный алгоритм решения обратной задачи ТК обеспечил погрешность определения глубины залегания и поперечных размеров дефектов на уровне 10%.

Будучи примером вполне строгой реализации принципов решения многопараметрических обратных задач, описываемый подход может найти возрастающее применение, в особенности, благодаря лавинообразному увеличению мощности компьютеров.

3. Определение поперечных размеров дефектов

Использование пространственных профилей температуры

В отличие от глубины залегания и толщины поперечные размеры дефектов поддаются простой визуальной оценке по тем температурным отпечаткам, которые дефекты создают на контролируемой поверхности (в ТК речь, как правило, идет о дефектах значительной поперечной протяженности). Размещая на поверхности объекта маркер известных размеров, хорошо видимый в ИК-диапазоне, например полоску алюминиевой фольги, процесс определения hx, hy можно автоматизировать. В большинстве практических случаев ошибка простой визуальной оценки размеров дефектов не превышает 30 %. При автоматизации этого процесса, необходимо установить температурный порог принятия решения, амплитуда которого, как мы увидим ниже, существенно влияет на оценку hx, hy.

Функция точечного источника и инверсия размеров внутренних дефектов в пространстве Фурье

Общий подход к определению размеров и формы внутренних дефектов по экспериментальным температурным сигналам разработан Р. Фавро и др. для импульсных процедур ТК и Г. Вальтером и др. для процедур с использованием тепловых волн. Предлагаемый метод заимствован из астрономии и оптики и предполагает независимость оценок от времени и параметров дефектов.

Пусть форма внутреннего дефекта в направлении, параллельном контролируемой поверхности, описывается функцией F (x,y,l), а функция G (x,y,l,ф) обозначает поверхностный температурный отклик от точечного дефекта, расположенного на той же глубине l (нагрев импульсом Дирака). Функция G является аналогом функции Грина, широко используемой для решения дифференциальных уравнений; ее более точное название - функция точечного источника (ФТИ). Эту функцию можно определить как в общем случае, так и для конкретных материалов, дефектов и типов нагрева.

При практическом применении уран нения возникают следующие про блемы:

ФТИ должна быть определен "наилучшим" образом для конкретных дефектов (например, неясно как G должна учитывать влияние толщины дефекта),

поскольку функция F не должна зависеть от времени, неясно как выбирать момент времени ф для расчета отношении двух Фурье - образов в выражении;

деление на значения Г, близкие к нулю, должно вызвать появление значительного шума в спектре Фурье функции F;

любые шумы в исходных изображениях имеют тенденцию к усилению при использовании вышеописанных процедур

ФТИ можно найти аналитически или численно.Р. Фавро и др. получили выражение ФТИ для импульсного ТК в следующем виде, используя приближение Борна первого порядка, т.е. пренебрегай многократными отражениями импульсных тепловых волн в пространстве между поверхностями изделия и дефекта.

В заключение следует заметить, что как отыскание ФТИ, так и всю процедуру инверсии согласно выражению, целесообразно проводить в численном виде описанный метод позволяет получить более резкие изображения размытых дефектных отпечатков, однако при этом возрастает высокочастотный шум. Подавление шума производят путем его фильтрации в пространстве Фурье.

Заключение

Температура, как количественный показатель внутренней энергии тел, является универсальной характеристикой объектов и процессов физического мира, в котором непрерывно происходит генерация, преобразование, передача, накопление и использование энергии в ее различных формах. Анализ тепловых процессов (температурных полей, потерь тепла и т.п.) позволяет получить разнообразную информацию о состоянии объектов и протекании физических процессов в природе, энергетике, строительстве, промышленности и медицине.

В настоящее время ИК-диагностика и методы теплового НК представляют высокотехнологичную область прикладных исследований, которая объединяет достижения в теории теплопередачи, ИК-технологии и компьютерной обработки экспериментальных данных. Сохраняющийся интерес к ТК обусловлен его универсальным характером, высокой производительностью и безопасностью обслуживания ИК аппаратуры.

В области испытаний слоистых, композиционных и сотовых материалов ТК рассматривают скорее как скрининговый, т.е. обзорный, нежели самостоятельный, метод. В будущем положительные результаты возможны при комбинировании теплового и ряда других методов НК, в особенности, таких как ультразвукового и голографического (с этими методами тепловой объединяют ряд общих физических аспектов, а в ряде случаев общие элементы аппаратурной базы).

Список литературы

1. Неразрушающий контроль: Справочник: В 8 т. / Под общ. ред.В. В. Клюева. Т.5: В 2 кн. Кн.1: В.П. Вавилов. Тепловой контроль.

Размещено на Allbest.ru


Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.

© 2000 — 2023, ООО «Олбест» Все права защищены