Оптимизация метода тепловой дефектометрии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

АКАДЕМИЧЕСКИЙ НАУЧНЫЙ КОМПЛЕКС „ИНСТИТУТ ТЕПЛО — и МАССООБМЕНА им. А. В. ЛЫКОВА" АН РЕ

На правах рукописи

РУСАКЕВИЧ Дмитрий Александрович

УДК 621.384.3

ОПТИМИЗАЦИЯ МЕТОДА ТЕПЛОВОЙ ДЕФЕКТОМЕТРИИ

01,04.14 — Теплофизика и молекулярная физика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Минск 199 2

Работа выполнена в Белорусской государственной политехнической академии.

Научный руководитель: доктор фнэ. - мат. наук, профессор

R Г. Севастьяненко.

Официальные оппоненты: академик АН РБ, профессор

A. Г. Шашков,

кандидат технических наук

B. JL Драгун.

Ведущая организация: институт теоретической и

прикладной механики Сибирского отделения АН РФ.

Защита состоится/^ Л0ября 1992 г. в часов минут на заседании Специализированного совета К 006.12.01 института тепло-и массообмена им. А. В. Лыкова АН РБ по адресу; 2205Й8, г.Минск, ул. Ц Бровки, 15.

Автореферат разослан " " сентября 1982 г.

Ученый секретарь Специализированного совета кандидат физ. -мат. наук

С, К Погребня (С) Белорусская государственная

политехническая академия,1992

Внедрение вычислительной техники в системы неразрушающего контроля предопределило в последние годы широкий интерес к тепло-зым методам контроля, в особенности к активному тепловому нераз-рушающему контролю ( АТШ). Это вызвано тем, что по ряду характеристик (быстродействие,.бесконтактность, применимость к различным материалам, безопасность, возможность автоматизации и др.) он выгодно отличается от других методов неразругааюшего контроля. Повышение требований к точности и чувствительности АТНК, .создание ав-,оматиз>фованных технологических процессов требуют дальнейшего совершенствования методов и средств АТНК, оптимизации параметров контроля, перехода от тепловой дефектоскопии к дефектометрии.

Так как процесс АТНК носит многопараметрический характер', следует ожидать, что детальное и всестороннее исследование процесса АТНК на основе натурного эксперимента, . математического моделирования и вычислительного эксперимента, использование принципов оптимизации параметров' контроля, решение обратных задач теплопроводности позволит получить наиболее ■ полную ■ информацию о предельных . возможностях метода АТНК и повь-сить точность определений параметров дефектов.

Естественно, что эффективное проведение АТНК с учетом оптимального выбора его режимов. возможно лишь на основе комплексного подхода к разработке процесса ТК и определению его параметров. В отечественной и зарубежной литературе опубликован ряд материалов, посвященных проведению АТНК и выбору его параметров. Мэжду тем, вопросы комплексного подхода к проектированию технологического процесса АТНК с учетом оптимизации его параметров и требований к аппаратным средствам измерения ТК освещены недостаточно.

Цель диссертационной работы

1. Оптимизация параметров активного-теплового контроля. 5. Разработка оптимальных методов обнаружения и определения параметров протяженных дефектов и дефектов типа "канал" и их практическая реализация. 3. Создание автоматизированного вычислительного комплекса для решения задач измерительного характера, для проектирования АТШ, для обнаружения дефектов и определения их параметров.

Научная новивна

|1. Разработан системный подход к проектированию АТНК на основе методов натурного эксперимента, математического моделирования

и вычислительного эксперимента с использованием принципов оптимизации параметров контроля.

2. Создан автоматизированный вычислительный комплекс для подготовки данных контроля, проведения исследований, обработки результатов контроля и их документирования, проверен анализ погрешностей измерения температуры с помощью тепловизионной аппаратуры и предложены способы коррекции эгих погрешностей.

3. Предложена методика определения параметров протяженных дефектов и дефектов типа "канал" в пластине.

Практическая ценность работы

Метод оптимизации поиска дефектов и определения их параметров, созданный на основе анализа тесрьтачесгмк и экспериментальных данных по АТНК объектов, изготовленных из различных материалов с протяженными и двумерными дефектами, и разработанный пакет прикладных программ для проведения вычислительного эксперимента, подготовки данных контроля, управления автоматизированным комплексом АТНК и обработки результатов теплового контроля могут бить использованы при проведении неразрушающего контроля промышленных изделий и в медицинской диагностике.

Вопросы, ышосимые на защиту

1. Метод оптимизации параметров активного теплового неразрушаю-щего контроля.

2. Методика определения параметров протяженных дефектов и дефектов типа "канал" в пластине.

3. Созданный автоматизированный вычислительный комплекс. Анализ погрешностей и способы их коррекции при измерениях абсолютных температур.

4. Результаты применения комплекса для определения качества лопаток турбореактивных двигателей, для определения годности сотовых конструкций, для «Эффективности теплообменников, для исследования биологических объектов.

Реализация научных результатов осуществлена:

- при проведении неразрушающрго контроля качества лоняток турбореактивных двигателей, качества сотовых конструкций и изделий

иа углепластика и стеклопластика на предприятии "Салют", НИИ двигателей;

при проведении отбраковки прокатных изделий . в предприятии " Белтехнологин ";

при оценке эффективности работы теплообменников на предприятии "ТАСПО";

при проведении неразрушающего контроля ответственных изделий на заводе колесных тягачей объединения ЕелЛвтоМаз; для скрининг-диагностики рака молочной железы в учреждениях здравоохранения Республики Беларусь (НИИ онкологии и медицинской радиологии, институт усовершенствования врачей).

Апробация работы

Результаты работы докладывались на II-V Всесоюзных симпозиумах | вычислительной томографии ( Куйбышев, 1985; Москва, 1987г.; ипкент, 1989г.; Звенигород, 1991 г.): на республиканской конференции (етоды контроля качества продукции" в Гродно, 1988г.; на ежегодных »нференциях профессорско- преподавательского состава БПИ .983-1992 г.).Основные материалы диссертационной работы отражены 9 публикациях (5 находятся в печати ).

Объем и структура работы

Диссертация состоьг иа введения, четырех глав, заключения, шска литературы из 22 наименований, содержит 81 страницу маши-эписного текста, 47 рисунков и таблиц.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, кратко звешено состояние проблемы, определена цель работы. Сформулиро-аны научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе предлагается системный подход к решению задач ГНК на основе математического моделирования, вычислительного и зтурного экспериментов, охватывающего все стадии разработки : от ценки целесообразности применения АТНК до выбора параметров, э1<Кретных средств контроля и методики его проведения.

Проводится анализ теоретических и экспериментальных данных по ГНК объектов, изготовленных из материалов с различными теплофи-<1ческими характеристиками (ТФХ), с протяженными и двумерными де-зктами. На базе анализа создан метод оптимизации поиска и опре-гления параметров дефектов, основанный на воздействии на

поверхность объекта нескольких импульсов потока налучевия разлив ной длительности и мощности. Основными задачами проектировану технологического процесса АТНК является:

выбор параметров нагрева ( времени наг рева - t w , шютност лучистого потока - );

выбор критериев обнаружение дефектов,- тешерагуриш, прост ранственных, временных и т. доопределение требований, предъявляемых в измерительной aima ратуре;

определение -предельных возможностей мею.чн. На практике существуют два подхода к решению поста* r;,;iiHOi задачи: первый - натурный эксперимент, вюрой - математически! моделирование и вичислитольнцй экшмрии^нт (ВЭ).

В работе в основном используется.второй метод,который, обладая общими о натурным экспериментом свойствами, имеет и некоторые присущие' только ему достоинства:

во-первых, т. к. тепловые процессы в объектах с дефектами имекн сломшй характер из-за комплексного воздействия параметров деф*;к-тов и ТФХ материала объекта контроля, то вычислительный эксперимент позволяет рассматривать влияние кавдл'о такого параметра в отдельности, т.е. можно изменять ь к~.ких-то пределах любой из параметров и наблюдать, как это изменение влияет на выходные параметры;

во-вторых, с помощью вычислительного эксперимента возможно проведение АТНК в достаточно широком интервале параметров установки без модификации существующих или разработки новых установок, что особенно важно при определении предельных возможностей метода для контроля объектов с дефектами с очень малой длительностью установления теплового равновесия между дефектной и бездефектной областями.

Математической моделью АТНК является параболическое уравнение нестационарной теплопроводности для объектов с протяженными дефектами и дефектами типа"канал" в ограниченной прямоугольной пластине .

'1. Одномерная математическая модель

с.0. ài: , о àir - и)

с У ai л a-yi '

Г,'С

о

ос,

S/ t «- ** Гл* * 9-

я, ■ r th! c< J>, Л, f

i_____;;j J>1 »«. Q ] 1* \

/ i C,ft*t ? j ш )

S»

7

Начальные условия: ТД_-0 - ^р ' Граничные условия для I, И, III зоны:

¿1! =

£

дП ls,

Ci,-T«,l , t > £„

Стыковка на границе слоев:

¿Li т

= я

х.. №(

2. Двумерная математическая модель

а'Г

/■ ■__

с-^'эГ^ я- КТх?

(2)

О

h

Ci -Pi Zt d •

CL

......- _______ — -,-

Sys

JL

О

Уг

Начальные условия: T|t 3 0 - Тср ) Граничные условия:

У!

b, l - Hl*. -T«,l ■■ ' '

Стыковка на границе слоев:

При решении уравнений (1-2) принималось, что тепловой контрол осуществляется в условиях свободной конвекции. В этом случае ко эффициент теплоотдачи плоской поверхностью находится из предполо жения, что процесс переноса теплоты между средой и нагретой стен кой является результатом совокупного действия конвективное теплообмена и теплового излучения,т.е. «с, + .В программу

расчета вводилась линейная зависимостью* от (Т-Ър).

Предполагалось, что теплоперенос в воздушном дефекте осуществляется только теплопроводностью. Этому условию соответствуй температурные перепады в области дефектов менее ЮО'с, при толщине дефекта <0,5 см.

Для решении задачи тепдофиаические характеристики брались и; справочных данных или определялись экспериментально нестационар ным методом путей последовательного приближения при решении обратных задач теплопроводности. Вышеуказанные уравнения (1-2) решались численным методом по неявной схеме.

Внутренние дефекты могут быть обнаружены тепловым методом, если они приводят к появлению разности температур (лТ) на поверхности над дефектным (Т#) и бездефектным участком (Tif ). Отсюда критерий выявляемости дефектов записывается в виде:

где m - отношение сигнал / шум ; й ТР - температурное разрешение средств измерения поверхностных температур. I

Для установления зависимостей между пространственно-временной структурой поверхностного температурного поля и внутренней структурой контролируемого объекта проводился вычислительный эксперимент на основе математической модели (1,2) и натурный эксперимент.

Предварительно определялись оптимальные параметры теплового юнтроля: мощность и длительность (¿„) нагрева, с учетом быстродействия измеряющей аппаратуры. .Поиск параметров проводился на зснове решения обратных задач. Для этого сначала решались прямые геиловие задачи с различными вариациями ф * и ¿„ , находилось такое сочетание }«й{, , при котором в Т являлось максимальным. При этом зптимизация параметров нагрева проводилась для подповерхностных дефектов с максимальным раскрытием, чтобы избежать в последующем перегрева. Из физических соображений (отсутствие перегрева, параметров нагревателя, времени отработки команд роботом-манипулятором) вводились следующие ограничения на входные параметры: * 140°С, а 1ГОООО вт/м? ¿„з- 0,5 сек,

где т„л,(/) - температура на нагреваемой стороне в момент окончания нагрева.

В ходе вычислительного и натурного экспериментов получены зависимости максимального температурного перепада и времени его достижения от глубины залегания дефектов для разных материалов, при различных раскрытиях дефектов. На основании этих данных строились номограммы зависимости максимального температурного перепада от времени его достижения для различных материалов, глубин залегания и раскрытий (рис. 1).

г, „г, - • *е 3 0 .<7

Рис. 1. Номограммы зависимости максимального температурного перепада от времени его достижения для различных материалов, глубин залегания, раскрытий. 1-дюралюминий, П-сталь, ПЬтитан, 1У-тексто-лит

Из полученных в ходе вычислительного эксперимента данных, видно, что вдавляемость дефектов с увеличением значений теплофи-зических характеристик улучшается, но для этого нужна аппаратура с более высоким быстродействием. Например, для дюралюминия (р « 2790 кг/м? с = 881 Дж/кг Гр, я « 169 Вт/м Гр) при раскрытии 0.1 мм дефекты выявляются - до глубины 13 мм, а для материала типа титан' (р - 450 кг/mí с _ 490 Д*/кг Гр, л - 13 Вг/м Гр) при том _ же раскрытии дефекты выявляются до глубины 8 мм. Но время достижения максимального температурного перепада для таких дефектов у дюралюминия 3,? сек , а у титана 17,25 сек. Из анализа. ВЭ видно, что, оптимизируя параметры нагрева для глубоких дефектов, мокно расширить предельные возможности (рис. 2). Анализ ВЭ показал, что при условиях нагрева для обнаружения подповерхностных дефектов (í- - 3 сек, = -130000 Вт/м*) максимальная разность температур для дефекта (б -0.1), находящегося на глубине 8 мм,- 3°С, а при оптимизации нагрева под глубоко лежащие дефекты (i. 8сек, -- 97000 вт/м4) максимальная разность .температур 18*0.

дТ- У ¿Tmu

W

to- <5 = Q,í 40-

so- 1«

1,0- И *a,s «

Sxi 6 to-

30, te-

iO■ ye-

0 1 i аз i¿« П 9 10 i' tl,KH U

Рис.2. Зависимость Тмах от глубины залеганий дефекта при различных условиях на-4 грева. А- С-Зсек, ф,»13вт/см В- £,-8сек, =9,7вт/см*

I'll I" Г г 'I lirV I Г7»" > I I

Я Ч * | |«|]|<Н|1»и «И /3,А«

Рис. 3. Зависимость Тмах от глубины залегания дефекта при одинаковых условиях нагрева для различных толщин образцов. Л~с1»25мм,В-сМ5мм

Анализ вычислительного эксперимента показывает, что с увеличе-¡ем толщины пластин улучшаются возможности по обнаружению дефек-1В с одинаковыми параметрами , лежащих на одной глубине( рис. 3).

В главе описан вычислительный эксперимент для одностороннего двухстороннего теплового контроля. Указанные выше результаты шведены только для одностороннего контроля, так как, показал гализ, он является наиболее чувствительным и оптимальным не то->ко для обнаружения,но и для определения параметров дефектов.

В главе описывается вычислительный эксперимент для прямоуголь-й изделий с дефектами типа "канал". Для таких изделий качеот-■нные зависимости аналогичны полученным для протяженных дефект, но наблюдается зависимость предельных возможностей метода от ■¡рины (санала. Например, для стали при ширине канала 60 мм и гскрытии 0.1 мм предельная глубина обнаружения 9 мм, а для шири->1 канала 3 мм - 5 мм. Показано, что для таких дефектов.также дественную роль играет оптимизация нагрева, которая расширяет недельные возможности но их обнаружению.

Для проверки адекватности физической и математической моделей эоводился натурный эксперимент. Его данные сравнивались с ре-ультатами вычислительного эксперимента. Точность совпадения результатов не менее 8 X для,„образцов со справочными значениями ТФХ 3 %-для образцов с экспериментально определенными ТФХ

Во второй главе описан автоматизированный вычисдител!ный комп-экс, который нг только выполняет операции измерительного харак-гра, но и служит для решения задач оптимизации условий нагрева, ля проведения математического моделирования и вычислительного ксперимента, для проектирования теплового контроля и для опреде-ения параметров дефекта.

Автоматизированный вычислительный комплекс (рис. 4) включает в ебЯ : систему подготовки данных; систему импульсного нагрева; измерительно-вычислительную систему; программное обеспечение.

В систему подготовки данных входит база данных о теплофизичес-их характеристиках материалов, а также программное обеспечение ля проведения вычислительного эксперимента, результаты этого эк-перимента и программа для оптимизации параметров контроля.

Система импульсного нагрева состоит из нагревателя, блока уп-авления нагревателем, устройства ввода-вывода нагревателя, блока правления манипулятором. Управление системой импульсного нагрева хтзводитоя от ЭВМ.

12

- измеришь лучистого потока»

2 - блок управления нагревателем|

3 - плоттер',

4 - датчик лучистого штока? Б - нагреватель»

в - ТВ-бз}

7 - интерфейс ввода-вывода|

13

8

8 10

11

12

13

14

- ЭВМ с104 рс/ат)|

- датчик температуры»

- АЧ1»

- манипулятор!

- устройство управления манипулятором

- устройство управления!

- блок стабилизации . температуры

Рис. 4. Блок-схема автоматизированного рычислительного комплекса

На основании расчетов был создан излучатель, состоящий из 10 ламп КГ 220-2000. Расстояние между центрами ламп 15 мм. Максимальные размеры облучаемой поверхности 150x160 мм. Применение дополнительных отражателей способствовало получению более равномерного распределения облученности на поверхности объекта. Мощность потока излучения на расстоянии 100 мм от центра ламп составляла 150.000 вт/ма. Питание излучателя осуществлялось от трехфазного симисторного источника питания. Блок управления нагревателем позволял включить нагреватель в момент прохода тока через "О".

Для ввода-вывода нагревателя в зону нагрева использовался робот- манипулятор ПС-09. Бремя вывода нагревателя из зоны нагрева < 1 сек. В качестве измерителя тепловых полей использовалась Приемная камера тепловизора""Электроника ТВ-ОЗ". Данные с теплови-аионной камеры преобразуются в цифровой код и через разработанный интерфейс в режиме прямого доступа поступает в память ЭВМ типа IBM PC/AT. \

Так как информационным параметром в работе является температура на поверхности и динамика изменения ее во времени, то при разработке; комплекса большое внимание уделялось анализу и .коррекции погрешностей измерения температуры. Для этого получело основное уравнение, связывающее сигнал на выходе тепловизионной камеры с чувствительностью приемника излучения,, параметрами объекта, среды, оптической системы, теплового режима внутри теплсвизианной камеры, геометрическими параметрами.

В главе подробно приводятся способы коррекции погрешностей. В таблице 1 представлены основные погрешности и методы их коррекции. Таблица 1

Инструментальная погрешность Способ коррекции Методическая погрешность Способ коррекции

I. Изменение уровня отсчета аппаратный, программный Г.Пропускание среда -

2. Изменение чувствительности приемника программный (калибровка) 2.Неопределенность излучат. способности нормализация поверхности, прсграм.

3, Неравномерность чувствительности то поло программный

4. Зависимость показания от расстояния до объекта программный скалибровка!

Проведена коррекция временных передаточных характеристик тепловизионной камеры ТВ-03 за счет Солее согласованного включения приемника излучения, что позволило улучшить линейную разрешающую способность.

Для управления работой комплекса, проведения измерений и вычислений разработано программное обеспечение, которое состоит иа следующих блоков :

1 - блок программ для подготовки данных;

2 - блок программ управления комплексом;

3 - программы коррекции погрешностей;

4 - программы обеспечения ввода-вывода данных и их обработки.

Комплекс позволяет записывать до 1000 кадров с минимальной

скважностью 0, 2 сек , осреднять кадры, выделять зоны с различными уровнями, оконтуривать разные зоны и определять их площадь. С по-

мощью маркера определяются координаты точки и ее температура.

Программное обеспечение позволяет выводить на экран одновременно 8 кадров, сравнивать термограммы для любых точек исследуемой поверхности. Технические характеристики комплекса представлены в таблице ?.. Таблица £

Г. Диапазон измеряемых температур 20 -.150*0

г. Точность измерения температуры ±Г.С) С

С. Разрешающая способность 0.2 С на

по температуре уровн§ 30 С

4. Поле зрения 7x7

5. Мгновенное поле зрения <>' 0. Количество элементов в строке Ш5

7. Количество строк . 100

8. Разрядность АЩ Ю О. Количество выводимых цветов Тв из ('4

10. Скважность между кадрами 1/36-ЮООо

11. мак частота кадров в езк 16

12. Расстояние до объекта 0.2м-«.

13. Количество кадров, выводимых нэ экран 8

14. Количество непрерывно запоминаемых кадров (через 0.25 сек> 1000

15. Монщость нагревателя гв кВт

16. Устройство позиционирования нагрьвателя робот ПС-ОЭ

В третьей главе приводятся результаты применения автоматизированного вычислительного комплекса в различных отраслях хозяйства и медицине.

В ряде случаев необходимо определить площади дефектов, для этого из практики определяется, на каких минимальных и

максимальных (Л™„) глубинах могут быть дефекты и какие их раскры-тпя(<1„.„-«„,«,). Определятся оптимальные параметры контроля для наиболее близколэжаедх к поверхности дефектов с максимальным раскрытием. В ходе эксперимента снимается большое число кадров и определяется максимальный температурный перепад над дефектной и бездефектной областями и время его достижения. Из варанее теоретически построенных номограмм определяются ориентировочно- глубины залегания дефектов. Затем оптимизируются условия нагрева под эги глубины, проводится эксперимент и по кадру с наибольшим температурным перепадом оконтуривакггея дефекты., определяются их площади, я дается рекомендации по использованию изделия.

Данная методика применялась при определении мест непропая в сотовых конструкциях, где толщина стенки обшивки 1 мм, а высота сотов 25 мм. Разработчики допускали возможность непропая до 1% общей площади сотовой конструкции. Нагрев производился лампами

КГ 220-2000, при плотности излучения 160000 вт/м. Время нагрева - 1 секунда. Спустя 0,5 секунды после окончания нагрева снимали первый кадр. Каждый последующий кадр снимался спустя 1/16 секунды.

Автоматизированный вычислительный комплекс позволил ококтури-вать места непропая и определять по максимуму первой производной, величины сигнала по различным направлениям, какую часть всей площади занимает место непропая. Статистический анализ показал, что 162 на всех иссЛедонанных изделий являются бракованными.

Большое количество авиакатастроф происходит из-за разрушения лопаток турбореактивных двигателей. Разрушение лопаток происходит из-за их перегрева при большой механической нагрузке. Лопатки перегреваются, если на стенках охлаждающих каналов остается не-вытравленкая керамика. Заводок-изготовителем ставилась задача найти места, где керамика плохо вытравилась.

Лля решения поставленной задачи череп ;ганалы лопатки прокачивался горячий газ или здкость. Снималась тепловизионная картина и сравнивалась с тепловизионными картинами из базы данных с бездефектной лопаткой. Из сравнения делались выводы о пригодности данной лопатки к эксплуатации.

Разработана методика и рроведены теплофивические исследования оребренных поверхностей для повышения тепловой эффективности теплообменник поверхностей. Для решения этой задачи необходимо было определить распределение температур по поверхности ребер при их различных геометрических параметрах. ,

Разработанная методика эксперимента позволила контролировать распределение температуры по ребрам и интегральное поле температур у различных теплообменников с погрешностью IX. Из анализа результатов сделаны выводы о влйянии конструктивных особенностей теплообменников на их эффективность и даны рекомендации по оптимальной нарезке ребер, по расположению теплообменников в батареях.

Разработанный автоматизированный комплекс работает и в пассивном режиме, например, для исследования биологических объектов.

Среди онкологических заболеваний женщин злокачественные опухоли молочной железы по-прежнему являются ведущей причиной смертности. В ходе лечения и диспансерного наблюдения необходимо подвергать женщин многократному обследованию, которое до последнего времени в основном обеспечивается рентгеновскими аппаратами. Особую значимость-имеет этот аспект для населения Белоруссии после аварии на ЧАЗО.

В НИИ онкологии и медрадиологии МЗ РВ проведены клинические испытания автоматизированного вычислительного комплекса для скрининг-диагностики молочной железы. Испытания проводились с целью выявления патологий молочной железы при профилактических осмотрах в условиях П0ЛИКЛИН111С

В результате проведенных исследований изменения на термомам-мограммах выявлены у 159 из 283 человек. Из них при кдиникорент-генологическом дообследовании патологические изменения диагностированы в 14.6 случаях ( рак - в 24 случаях, другая патология - в 122), В 13 случаях патологии молочной железы обнаружено не было.

В группе обследошнных из 130 человек, у которых при термографии изменения не выявлены, при последующем клиническом дообследовании в 3 случаях диагностирован рак молочной железы. При-этом в 2 случаях опухоль диагностирована пальиаюрно при отрицательных результатах рентгеновской маммография, а еще н одном случае - только по данным маммографии, т. е. диагностика была затрудненной и для традиционных методов.

Результаты испытаний, проведенных в Ш1 онкологии и медрадио-.логии, позволили сделать следующий вывод: комплекс компьютерной термомаммографии обеспечивает эффективное выявление лиц с заболеваниями молочной железы и может быть рекомендован для проведения профилактических осмотров в лечебных учреждениях о последующим направлением на углубленное обследование.

В главе также кратко списано применение комплекса для диагностики прокатных изделий, конструкций из углепластика и стеклопластик, для отбраковки шатунов, для определения уровня наполнения газовых баллонов.

В четвертой главе приводится методика по определению параметров дефектов с использованием принципа вычислительной томографии, для которой в качестве интегральной информации о внутренних параметрах дефекта служит динамика изменения поверхностной температуры со временем.

С математической точки зрения определение параметров дефектов требует решение обратных задач нестационарной теплопроводности (ОЗТ). В теплоЕой дефектоскопии наиболее приемлемым является метод минимизации функционала невязки.

Методика определения параметров протя.тенных дефектов разделяется на 2 этапа.

Первым этапом решения дефектометрической задачи является определение начальной точки или сужение границ поиска параметров де-

фекта. Оно необходимо по двум причинам.

Во-первых, суженные границы пошпса уменьшают вероятность ошибки в решении обратной задачи теплопроводности (ОТЭ), связанной с отождествлением глобального минимума функционала с локальным.

Во-вторых, при хорошем выборе границ поиска значительно снижается время поиска параметров дефекта. Для сужения границ поиска пользовались методикой, описанной в первой, третьей главе, т.е. оптимизировались условия контроля для подповерхностного дефекта с максимальным раскрытием. Для этих условий проводился вычислительный эксперимент и строились номограммы (рис.5) зависимостей максимального температурного перепада от времени его достижений для различных глубин залегания и раскрытий дефектов.

С рассчитанными оптимальными условиями нагрева проводится натурный эксперимент, из которого определяется максимальный температурный перепад над дефектной и бевдефектной областями а 71,»., и время его достижения рис. б).

По номограммам (рис.5) определялась область параметров > С, - <3ти), в пределах которой находятся искомые параметры дефекта. Границы этой области зависят от глубины залегания дефектов и погрешности измерения температуры.

На втором этапе в пределах уже выбранной области нахождения параметров дефектов окончательно определяют их параметры на основе решения обратных тепловых задач. Предварительно проводился вычислительный эксперимент с целью оптимизации параметров нагрева для дефекта с предполагаемой минимальной глубиной залегания и максимальным раскрытием (<$,„), выбирались шаги по глубине и раскрытию и определялся временной интервал д I, в пределах которого будут анализироваться хронологические термограммы.

Параметры нагрева ($„,<•„; выбирают из условий Т(к„1п<ЗтХ1)* 140°С

Рис. ь. номограммы зависимости Тмах от времени его достижения для различных глубин и раскрытий-

а

Т,

Рис. в. Экспериментальные хронологические термограммы А -точки над дефектной областью, В- над беэдефзктнсй областью

так, чтобы разность температур для оптимальной совокупности и была максимальной, т. е.

й Ти) - гпахСТО^А»,.* ) ' )1,

При этом необходимо учитывать, чтобы«** 0. беек и ^ 150000 вт/м .

Для решения поставленной задачи по определению шагов использовались условия :

[Т .б^ай., - Т . 1«>] * л ;

где с » 1.. .а, у = 1.. .т, Ь » 1. ./)•,

- погрешность измерения температуры. При выборе временного интервала имелось в виду то, что он дол: жен включать в себя участки с временами достижения максимальной разности температур между двумя термограммами, отличающимися друг от друга шагом по а ^ или шагом по .

На основе найденных параметров контроля решались прямые тепловые задачи (1), создавался банк данных расчетных термограмм I,} ), а также снималась экспериментальная термограмма 1, ). Путем сравнения экспериментальной термограммы с расчетными методом минимизации функционала определялись параметры дефекта.

Анализ полученных"результатов показывает,что предложенный метод обеспечивает определение глубины залегания протяжённых воздушных дефектов раскрытием 0.25 г 1 мм с погрешностью не более 10%

для диапазона глубин залегания 1т5 мм в пластинах из титановых сплавов. Методика определения параметров дефектов типа канал в пластике аналогична вышеприведенной, только на первом этапе определяют ширину канала по максимуму первой производной величины сигнала по плоскости пластины.

В главе также рассмотрены вопросы по определению теплофизи-ческих характеристик материала и описан учебный лазерный томограф, на котором отрабатывались интерфейс ввода данных в ЭВМ и графические программы обработки и вывода.изображений.

Основные результаты и выводы

1. Разработан системный подход к проектированию процесса АТНК на основе математического моделирования, вычислительного и физического экспериментов с использованием оптимизации параметров контроля. На основании анализа результатов экспериментов определены предельные возможности метода для обнаружения протяженных д»фек--

тов и дефектов типа "канал" б пластине, а также требования к параметрам нагрева и регистрирующей аппаратуре. Предложенные условия оптимизации параметров нагрева в зависимости от глубины залегания дефекта позволили расширить предельные возможности метода.

2. Разработан автоматизированный вычислительный комплекс для ре-гаемия следующих Зсиач."

- подготовки данных контроля (определения Т!<Х,параметров нагрева контроля);

- прокедение теплового контроля, обработки и документирования результатов исследований.

Разработан быстродействующий интерфейс Для ввода, в релине прямого доступа, информации с тепловизионной камеры ь ЗШ. Получено уравнение, связывающее величину сигнала на выходе теплогиаионной каперы с параметрам» о&юкта окруличклк-й среды, алемянсов и унлпн камеры. Проведен анализ погрешностей измерения температуры, предложены и реализованы методы коррекции инструментальных погрешностей.

3. С помощью тепловизиошюго комплекса по разработанной методике исследованы процессы теплообмена на сребренных поверхностях радиаторов, даны рекомендации по оптимальной нарезке ребер и по расположению теплообменников в батареи; исследованы некоторые элементы авиационных изделий, проведена опенка их надежности и даны рекомендации но оптимизации режимов контроля; проведены клинические испытания комплекса для скрининг-диагностики патологии молочной железы. Виявляемость патологии составила т%, раковых заболеваний - 88%. Комплекс рекомендован для проведения профилактических .осмотров в больницах и поликлиниках.

4. Разработана методика определения параметров протяженных дефектов и дефектов типа "канал" в пластинах, осноьяшняя на воздействии на поверхность пластины серии импульсов, длительность которых оптимизирована в зависимости от глубины налегания дефектов. Предложены критерии на-говдешш параметров контроля при решении обратных задач (длительности и времени нагрева, шагов поиска пи глубине залегания и раскрытию, временных интервалов измерений). Проведана апробация метода на модельных.образцах.

5. Создан пакет прикладных программ для проведения вычислительного эксперимента, подготовки данных контроля, управления автоматизированным комплексом и обработки результатов теплового контроля.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Севастьяненко В. Г., Русакевич Л-А. Учебный лазерный томограф / Сб. "Ill Всесоюзный симпозиум по томографии", Киев, 1987.

2. Разработка вычислительного диагностического томографа на тепловых волнах. Отчет о НИР (заключительный). Руководитель Севастьяненко Б. Г. ХД/172-84,, Минвуз БССР. Политехнический институт

N г. р. 01850037674, Минск, 1937.-109 с.

3. Плевако Ф. В., Русакевич Д. А., Севастьяненко Е Г., Яновская М. Т. Промышленный образец учебного лазерного томографа /

Сб. "IV Всесоюзный симпозиум по выч. томографии", Ташкент, 1989.

4. Плевако Ф. Б., Русакевич Д. А., Севастьяненко В. Г. ,Яновская М.Т. Лазерный томограф для исследования внутренней структуры прозрачных и полупрозрачных объектов. Приборостроение "Выиэйшая школа", 1990г.

6. Горбатов С. В. , Плевако Ф. В. , Петраченко А. Л. , Севастьяненко В. Г. , Русакевич Д. А., Колесникова М. Т. , Шеденков С. И. Тепловой томограф для учебных и исследовательских целей / Сб. "V Всесоюзный симпозиум по выч. томографии", Москва, 1991.

6. Севастьяненко В. Г. , Русакевич Д. А. Учебный томограф в физическом практикуме / Сб. "Методические материалы по вопросам преподавания физики в вузах". - Минск: ротапринт МРТИ, 1991.

7. Севастьяненко Б. Г. ,- Русакевич Д. А., Яцкевич Г. М. Тепловой де-фектометр / Сб. "Лаб. практикум "Физические методы диагностики", готовится к печати, 1992.

8. Севастьяненко В. Г. .Русакевич Д. А. .Русак A.A. Колесникова М.Т. Оптимизация метода импульсной тепловой дефектометрии протяженных дефектов. "Инженерно-физический журнал", готовится к печати.

9. М. Т. Kolesnikova. D. A. Rusakevilch, V. 0. Sevactyanenko, et al. Computer thermography of oncologic diseases.- In: Proc. of Biomedical Optics'93, Clinical Application of Modern Imaging Teohology Conf. , USA, 1993, готовится к печати.

18