автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Разработка и исследование тепловизионной аппаратуры для контроля качества точечной сварки в металлоизделиях сложной формы

1 Научно-техническая проблема разработки аппаратуры для контроля качества дистанционирующих решеток и пути её решения.

1.1 Назначение дистанционируюш,их решеток в атомной энергетике и актуальность проблемы их контроля.

1.2 Сравнительный анализ различных методов неразрушающего контроля контактно-точечных сварных соединений и современного состояния аппаратуры для их реализации.

1.2.1 Дефекты сварных соединений и предъявляемые к ним требования.

1.2.2 Радиационные методы и аппаратура.

1.2.3 Акустические методы и аппаратура.

1.2.4 Тепловизионные методы неразрушающего контроля и аппаратура.

1.3 Определение целей и задач исследования.

2 Теоретические исследования активного тепловизионного метода контроля точечной сварки.

2.1 Термодинамическая модель процесса теплопереноса в зоне контактной сварки при активном тепловизионном методе контроля.

2.2 Выбор метода решения дифференциального уравнения теплопроводности.

2.3 Применение метода конечных элементов для решения задачи теплопереноса.

2.4 Постановка задачи машинного эксперимента.

2.5 Результаты численных исследований.

2.6 Обсуждение результатов численных исследований.

2.7 Краткие выводы по второму разделу.

3 Разработка элементной базы тепловизионного дефектоскопа.

3.1 Расчет параметров тепловизионного устройства.

3.1.1 Обоснование требований, предъявляемых к дефектоскопу.

3.1.2 Этапы разработки дефектоскопа.

3.1.3 Энергетический расчет тепловизионного устройства дефектоскопа.

3.1.4 Стрздстурная схема и основные составляющие модули тепловизионной установки дефектоскопа.

3.1.5 Разработка и выбор компоновки и основных параметров оптической системы.

3.1.6 Исследование возможности уменьшения влияния неоднородности чувствительности элементов 1пЛ8 матричного фотоприемного устройства.

3.1.7 Программное обеспечение для работы в комплексе с тепловизионным устройством.

3.2 Определение параметров приёмного модуля ТВУ.

3.3 Выводы по третьему разделу.

4 Экспериментальные исследования тепловизионной аппаратуры для неразрушающего тепловизионного метода контроля контактно-точечных сварных соединений.

4.1 Введение.

4.2 Параметры исследуемых образцов изделия и нагревателя.

4.3 Результаты исследований и их анализ.

5 Разработка автоматического тепловизионного дефектоскопа.

2. результаты исследования влияния фонового излучения элементов конструкции на работоспособность тепловизионных приборов;

3. методика нелинейной компенсации геометрического шума матричных ФПУ; пр°граммн°е обеспечение GELAS для работы с 4 5 тепловизионными приборами; двухспектральные оптические системы с разделенным входным зрачком.

Применение результатов работы Терёшина Е.А. позволяет создавать высококачественные тепловизионные приборы различного назначения.

Зам. Директора КТИ ПМ к.т.н.

Зав. отд. 5.3

В.Н. Федоринин Шатунов К. П.

Заключение

В работе на основании теоретических и экспериментальных исследований доказана принципиальная возможность создания и применения тепловизи-онной аппаратуры для неразрушающего контроля геометрических размеров контактно-точечных сварных соединений в изделиях сложной формы на примере циркониевых дистанционирующих решеток ядерных реакторов. В процессе диссертационной работы установлено следуюпдее:

1. На основании проведенного сравнительного анализа различных методов неразрушаюгцего контроля выбран в качестве приоритетного для контроля контактно-точечных сварных соединений циркониевых дистанционир5лош;их решеток активный тепловизионный метод контроля;

2. Получено распределение температурных полей в зоне ядра контактно-точечной сварки при различных режимах нагрева на основании численного моделирования процесса теплопереноса. Результаты моделирования позволили найти зависимость между температурной чувствительностью, характеристиками оптического тракта тепловизионного устройства дефектоскопа и погрешностью измерения геометрических параметров литого ядра точечной сварки;

3. На основании теоретического исследования влияния фонового излучения на динамический диапазон тепловизионного устройства оптимальным образом разработан его оптический тракт;

4. На основании анализа различных вариантов оптических систем переноса теплового изображения в зону прямой видимости тепловизионного устройства предложена и разработана оптическая схема тепловизионного эндоскопа;

5. Разработан и реализован в программном обеспечении алгоритм нелинейной коррекции геометрического шума матричного фотоприемного устройства, позволивший повысить точность определения температур и расширить на 5 % динамический диапазон тепловизионного устройства;

6. Создан макет дефектоскопа для проведения исследований тепловизионного метода неразр5тпаюп];его контроля сварных соединений и разработана методика для измерения его характеристик. Значения параметров тепловизионной установки соответствуют расчетным;

7. На основании экспериментальных исследований установлено, что на те-пловизионных изображениях возможно разделить зоны литого ядра и диффузионного слипания, и подтверждена возможность создания тепловизионной аппаратуры для проведения неразрушающего контроля качества соединений, полученных контактно-точечной сваркой. Установлено, что геометрические размеры и форма литого ядра сварных соединений, полученные при контроле тепло-визионной аппаратурой неразрушающим методом, соответствуют размерам и форме сварных соединений, полученных при разрушающем контроле этих же сварных соединений. Относительная погрешность определения геометрических размеров контактно-точечных сварных соединений дистанционирующих решеток не превышает 10 %;

8. Разработаны алгоритм расчета, программное обеспечение и техническая документация на тепловизионный дефектоскоп для экспресс контроля сварных соединений циркониевых дистанционирующих решеток;

9. Предложена перспективная схема многоспектрального объектива с разделяющимся зрачком, позволяющая расширить спектральные диапазоны работы, повысить температурную чувствительность, расширить динамический диапазон и увеличить помехозащищенность тепловизионных дефектоскопов.

1. Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов: В 2 кн. Кн. 1/ Ф.Г. Решетников, Ю.К. Бибилашвили, Т.О. Головнин и др.; под ред. Ф.Г. Решетникова — М.: Энергоатомиздат, 1995. -320 с.

2. Дементьев Б.А. Ядерные энергетические реакторы: Учебник для вузов. -2-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергоатомиздат, 1990. 352 с.

3. Филянд М.А., Семенова, Е.И. Свойства редких элементов: Справ. — М.: Металлургия, 1964. 912 с.

4. Неразрушающие методы контроля сварных соединений/ СВ. Румянцев, В.А. Добромыслов, О.И.Борисов, Н.Т. Азаров. — М.: Машиностроение, 1976. -335 с.

5. Неразрушающий контроль и диагностика: Справ./ В.В. Клюев, . Ф.Р. Росин, В.Н. Филинов и др.; под ред. В.В. Клюева.—М.: Машиностроение,1995.-487 с.

6. Шумиловский H.H., Бетин Ю.П., Верховский Б.И. Радиоизотопные и рентгеноспектральные методы. —М.;Л.: Энергия, 1965. 152 с.

7. Мирошников, М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. — Л.: Машиностроение, 1983. 599 с.

8. Ермолов И.Н., Останин Ю.Я. Методы и средства неразрушающего контроля качества: Учеб. пособие для инженерно-техн. спец. вузов. — М.: Высш. шк., 1988.-368 с.

9. Кошляков Н.С., Глинерб Э.Б., Смирнов, М.М. Основные уравнения математической физики — М.: Гос. изд-во физико-математ. лит. 1962. 767 с.

10. Holman ТР. 1989. Heat transfer. McGraw-Hill, NY.

11. Ши Д. Численные методы в задачах теплообмена/ Пер. с англ. М.: Мир, 1988.-544с.

12. Теория и техника теплофизического эксперимента: Учеб. пособие для вузов Ю.Ф. Гортышов, Ф.Н. Дресвянников, Н.С. Идиатуллин и др.; под ред. В.К. Щукина. М.: Энргоатомиздат, 1985. - 360 с.

13. Вавилов В.П. Тепловые методы неразрушающего контроля: Справ. — М.: Машиностроение, 1991. 240 с.

14. Зиновьев В.Е. Теплофизические свойства материалов при высоких температурах: Справ. —М.; Металлургия, 1989.

15. Carrison ex., Foss N.A. Nonmiiformity Compensation Technique for Staring Infrared (IR) Focal Planes // SPIE. 1979.- Vol. 178. - P. 99-109.

16. Helfrich R.W. Programmable Compensation Technique for Staring Arrays //SPIE. —1979.- Vol. 178-P. 110-121.

17. McEwen R.K. A Signal Processor for Plane Detector Arrays //SPIE. — 1986. -Vol. 685-P. 152-157.

18. Исследование возможности неразрушающего контроля литого ядра соединений дистанционирующих решеток тепловизионным методом/ Е.А. Терё-шин, П.В. Журавлев, К.П. Шатунов и др.// Свар, пр-во. 2001. - №4. - С.54-56.

19. Займовский А.С., Калашников В.В., Головнин И.С. Тепловыделяющие элементы атомных реакторов. -М.: Атомиздат, 1966. 520с.

20. Самойлов А.Г. Тепловыделяющие элементы ядерных реакторов: Учеб. пособие для вузов — М.: Энергоатомиздат, 1985. 300 с.

21. Методы акустического контроля металлов: Справ./ Н.П. Алешин, В.Е. Белый, А.Х. Вопилкин и др.; под ред. Н.П. Алешина. — М.: Машиностроение, 1989.-456 с.

22. Неразрушающий контроль металлов и изделий: Справ./ Под ред. Г.С. Са-мойловича. — М.: Машиностроение, 1976. 456 с.

23. Сварка в машиностроении: Справ. В 4-х т./ Редкол.: Г. А. Николаев и др.

24. М.: Машиностроение, 1979 Т.4/ Под ред. Ю.Н. Зорина. - 512 с.

25. Сварка в машиностроении: Справ. В 4-х т./ Редкол.; Г. А. Николаев и др.

26. М.: Машиностроение, 1978 Т.2/ Под ред. А.И. Акулова. - 462 с.

27. Сварка в машиностроении; Справ. В 4-х т./ Редкол.; Г.А. Николаев и др.

28. М.; Машиностроение, 1978 Т.1/ Под ред. Н.А. Ольшанского. -504 с.

29. Справ, по точным решениям уравнений тепло- и массопереноса./ А.Д. Полянин, А.В. Вязьмин, А.И. Жарков, Д.А. Казенин М.: Факториал, 1998.-368 с.

30. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М., 1967.-256 с.

31. Козлов В.И. Двумерные осесимметричные нестационарные задачи теплопроводности/ Под ред. А.Г. Шашкова. — Минск, 1986. 240 с.

32. Pieter А. Jacobs Theraial Infrared Characterization of Ground Targets and Backgrounds: Tutorial Texts in Optical Engineering// SPIE Optical Engineering Press- Vol26.

33. Слюсарев Г.Г. Методы расчета оптических систем: Изд.2-е доп. и пере-раб. — М.: Машиностроение, 1969. 672 с.

34. Зельдович Я.Б., Мышкис А.Д. Элементы прикладной математики. — М.: Наука, 1965.-616 с.

35. Akira Akiyama, Tatsuro Sasaki, Toshiko Seto and others 1024x1024 infrared charge sweep imager with PtSi Schottky-barrier detectors. //Optical Engineering.-1994-Vol.33, №i. p. 64-71.

36. Rogers G.F.C., Mayhew Y.R. Engineering Thermodynamic Work and Heat Transfer, Longman. 1967.

37. Aronson A., Cenker R., Gilmartin H. Shuttle infrared imagmg experiment //SPIE. — 1986 Vol. 685 Infrared Technolodgy ХП. - P. 33-38.

38. Liddicoat T.J., Mansi M.V., Burgless D.E., Manning P.A. Anancooled Linescan Thermal Imager for Ground and Airborne Use //SPIE — 1986 Vol. 685 Infrared Technolodgy ХП. - P. 108-114.

39. R. Kennedt McEwen A Signal Processor for Plane Detector Arrays //SPIE — 1986. Vol. 685 Infrared Technolodgy ХП. - P.152-157.

40. Терёшин E.A., Хацевич Т.Н. Математическая модель матричного ФПУ тепловизионного прибора// ИНПРИМ-98; Тез. докл. Ч. Ш Новосибирск: Изд.-во ин-та математики. - 1998 - С. 123.

41. Особенности построения оптических систем современных приборов ночного видения/ П.В. Журавлев, В.А. Моисеев, Е.А. Терёшин и др. // LI назЛно-техн. конф. СГГА: Тез. докл. Ч. 1 Новосибирск: СГГА - 2001. - С. 169.

42. Терёшин Е.А. Применение тепловизоров для неразрушающего контроля сварных соединений// XLVIII научно-техн. конф. преподавателей СГГА: Тез. докл. Ч. 1 Новосибирск: СГГА - 1998. - С. 87.

43. Gerald С Hoist Common Sense Approach to Thermal Imaging// SPIE PRESS — 2000. Vol. PM86. -370 p.

44. Allen Mann Infrared Optics and Zoom Lenses// SPIE PRESS — 2000. -Vol.TT42.-156p.

45. Gerald С Hoist Elecfro-Optical imaging System Performance// Second Edition. SPIE PRESS — 2000 Vol. PM84. - 460 p.

46. Theraiosense ХХП Editors: Ralph В., Dennis H.// SPIE PRESS 418 pages, 2000.

47. Справочник no инфракрасной технике/ Ред. У. Волф, Г. Цисис. В 4-х тт. Т. 2. Проект, опт. систем/Пер. с англ. -М.: Мир, 1998. 347 с.

48. Справочник по инфракрасной технике/ Ред. У. Волф, Г. Цисис. В 4-х тт. Т. 3 Приборная база ИК систем/ Пер. с англ. М.: Мир, 1999.- 472 с.

49. Справочник по инфракрасной технике/ Ред. У. Волф, Г. Цисис. В 4-х тт. Т. 4 Проект, инфракрасных систем/ Пер. с англ. М.: Мир, 1999.- 472 с.

50. Smith R.A., Jones F.E., Chasmar R.P. The detection and Measurement of Infrared Radiation — Clarendon Press, Oxford, England 1968.

51. Оптические приборы наблюдения, обработки и распознавания объектов в сложных условиях /Б,С. Алешин, А.В. Бондаренко, В.Г. Волков и др. — гний Авиационных систем, 1999. 100 с.

52. Госсорг Ж. Инфракрасная термография. Основы, техника, применение/ Пер. с франц. — М.: Мир, 1988. 416 с.

53. Объективы с разделенным входным зрачком для двухспектральных ОЭП/ Е.А. Терёшин, К.П. Шатунов, П.В. Журавлев, Т.П. Хацевич// Изв. вузов. Приборостроение. Санкт-Петербург. - 2001 - №8 - С.58-62.

54. Теплопеленгатор «ЗЕБРА»/ П.В. Журавлёв, Е.А. Терёшин, К.П. Шатунов и др.// Изв. вузов. Приборостроение Санкт-Петербург - 2001 - №8 - С. 63-65.

55. Установка для автоматического контроля сварных соединений циркониевых дистанцирующих решеток/ Г.И. Косолапов, Журавлев П.В., Терёшин Е.А., Хацевич Т.Н. // Изв. вузов. Приборостроение. СПб - 2001. - №9 - С. 63-66.

56. Терёшин Е.А., Журавлев П.В. Тепловизионные приборы для неразру-шающего контроля //Наука производству. 2001 - №12 - С. 15-17.

57. Терёшин Е.А., Шатунов К.П., Журавлев П.В. Схемы объективов многоспектральных обзорно-прицельных систем// XII научно-техн. конф. «Пути развития телевиз. фотоэлектронных приборов и устройств на их основе»: Тез. докл. СПб: ЦНИИ «Электрон». - 2001.

58. Хацевич Т.Н., Терёшин Е.А. К вопросу о снижении собственных тепловых шумов элементов конструкции оптических головок тепловизионных приборов// Вести. СГГА Новосибирск. - 1998- Вып. 3- С. 103-105.

59. Терёшин Е.А. Основные требования к объективам, применяемым в ИК диапазоне//Вести. СГГА Новосибирск. - 1998- Вып. 3- С.105-109.

60. Терёшин Е.А., Хацевич Т.Н. Коррекция геометрического шума матричных фотонриемньгх устройств тепловизионных приборов по трем тестовым полям// Вестн. СГГА Новосибирск. -1998- Вып. 3- С.110-115.