Бесконтактная диагностика оборудования с применением тепловизоров Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

5. Зимин Д.В. Анализ проблем энергоэффективности беспроводных сетей передачи данных на базе стека протоколов ZIGBEE / Д.В. Зимин, К.А. Муравьёв // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2016. № 1. С. 195-197.

6. Адамов А.П. Способ надежного питания элементов сенсорной сети от беспроводного интерфейса / А.П. Адамов, С.Г. Семенцов // Надежность и качество сложных систем. 2018. № 1 (21) . С. 7 9-83. DOI: 10.21685/2307-4205-2018-1-10

УДК 621.396

Нуржанов Д.Х., Васильев А.С., Подсякина А.Ю., Москвитина О.В., Реута Н.С.

ФГБОУ ВО «Пензенский Государственный университет», Пенза, Россия

БЕСКОНТАКТНАЯ ДИАГНОСТИКА ОБОРУДОВАНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ТЕПЛОВИЗОРОВ

В данной статье рассмотрены системы получения ИК изображений, применяемые в тепловизионной аппаратуре, рассмотренны особенности современных тепловизоров, приведены оценки их основных узлов. Предложена методика применения тепловизионного оборудования для предполетной подготовки летательных аппаратов.

Ввиду того, что тепловизор является универсальным прибором для температурных измерений и анализа тепловых полей, потребитель может стремиться применить его для решения максимального числа измерительных и диагностических задач. Тем не менее, при покупке тепловизора следует четко представлять основные области его будущих применений, что в сочетании с финансовыми возможностями пользователя позволит оптимизировать состав тепловизионного комплекта. Так, применение тепловизора в качестве "дальнобойного" и высокочувствительного прибора ночного видения невозможно без длиннофокусной оптики, но зачастую не требует измерения температуры. Простым прибором тепловизионного наблюдения является модель ThermaCAM Scout фирмы FLIR Systems, в то же время наилучшим прибором в данной области применения будет тепловизор ThermaCAM 1000 той же фирмы, который может быть установлен на гироплатформе летательного аппарата. В военной области популярны показывающие тепловизоры фирмы Raytheon. Для ИК диагностики в электроэнергетике оптимальным прибором могут быть приборы серии ThermaCAM E или Т. Для многих областей применения важно наличие фильтров, которые позволяют существенно снизить помехи от отраженного солнечного излучения или повысить точность измерений температуры ряда специфических объектов, таких как стекло, пластмассы, горячий газ и т.п. Кроме того, часто в промышленной сфере требуются портативные тепловизоры с автономным питанием, в то время как для медицинской диагностики важна высокая чувствительность и развитая компьютерная обработка, а сам тепловизор может быть стационарным и питаться от сети переменного тока. Наконец, для научных исследований оптимальной может быть компьютерная система ThermaCAM SC 3000 (наиболее совершенной является модель SC 6000), а также некоторые тепловизоры фирм CEDIP (FLIR Systems), Santa Barbara Focal Plane Array которые обеспечивают запись последовательностей ИК изображений с высокой скоростью [1-3].

В последние годы активными участниками российского рынка тепловизоров стали фирмы NEC (Япония) с моделями ТН7102, 7800 и ТН9100 раз-

личных модификаций, Jenoptik (Германия) с моделями VarioCAM Inspect 130/25 и 170/25, Fluke (Raytek) с дешевой моделью ТОО, Testo с серией 880 (Великобритания), а также китайские производители Guangzhou Sat Infrared Technology и Wuhan Guide Electronic Industrial. В частности, последняя фирма поразила потребителей совместной с английской фирмой Land разработкой тепловизоров серии MoblR, напоминающих по дизайну и размерам мобильный телефон. Как отмечалось выше, вследствие жесткой конкуренции технические параметры самих камер и возможности софтвера для лучших моделей достаточно близки и решающим фактором для российских покупателей становится цена. Важнейшим фактором цены является тип используемой матрицы ИК детекторов. Высококачественные неохлаждаемые матрицы были разработаны американской фирмой Boeing (впоследствии технология была продана фирме DRS).

Поскольку для поставки за рубеж лицензионных матриц необходима экспортная лицензии Министерства торговли США, в некоторых странах был налажен выпуск так называемых нелицензионных матриц.

Поставка тепловизоров с такими матрицами осуществляется в третьи страны без ограничений, и соответствующие тепловизоры маркируются специальным образом. Другим средством преодоления экспортных ограничений явилась разработка приборов на матрицах малого формата (до 80 х 80) и с пониженной частотой смены изображений (до 7 Гц). В Европе большую популярность приобрели неохлаждаемые матричные ИК детекторы французской фирмы Uliss, на которые ограничения экспортной поставки менее жесткие по сравнению с американскими матрицами. В диагностических работах различие в технических показателях тепловизоров с лицензионными и нелицензионными матрицами может быть несущественным, однако в научных исследованиях предпочтительно применение высококачественных детекторов, обеспечивающих хорошие измерительные возможности тепловизора по всему полю зрения с температурным разрешением до 3 0 мК [2,4].

Таким образом, для задач диагностики радиоаппаратуры можно выделить следующие характеристики тепловизоры:

• спектральный диапазон предпочтительно длинноволновый (8—12 мкм)

• диапазон измеряемых температур не уже 10° +200°С (с возможностью расширения до +500°С)

порог температурной чувствительности инструментальная погрешность измерения температуры не хуже 0,1—0,3°С при температуре 25—30°С не больше 2% от верхнего предела диапазона измерения

• поле (угол) зрения 18—24 угловых градуса

• пространственное разрешение (мгновенное поле зрения) не более 1,5—3 мрад

Быстродействие питание не менее 12 кадров в секунду автономное, позволяющее работать от одного комплекта аккумуляторов не менее 2—3 часов

• возможности работы с термограммами запоминание термограмм на электронном носителе, наличие программного обеспечения для обработки и печати термограмм; динамический диапазон представления термограмм — не менее 8 бит.

• условия эксплуатации окружающая температура от 10 до +50°С, вибрация — до 1д, удары и толчки — до 15g

• масса возможно меньшая, позволяющая длительное время удерживать тепловизор одной рукой

параметры и возможности, наличие которых следует учитывать при выборе тепловизоров

детектор без охлаждения жидкими хладагентами, наличие сменной оптики, позволяющей работать с углами зрения от 7—10 до 4 0 угловых градусов; отсутствие механического сканирования (ЕРА детектор), наличие выносного монитора, возможность записи речевых комментариев и изображения в видимой области спектра, наличие солнечного и атмосферного фильтров, работоспособность в условиях влияния электромагнитного поля. Весьма желательно наличие ручного управления фокусировкой, т. к. на практике, при работе "с рук", она значительно удобнее

При выборе тепловизора желательно ориентироваться на аппаратуру ведущих мировых производителей, использующих современную и надежную элементную базу, предоставляющих гарантии и услуги по сервисному сопровождению и ремонту своей продукции. Следует отметить, что методика измерения, обработка данных и подготовка отчетов будут иметь минимальные отличия для различных моделей тепловизоров.

Рассмотрим базовые процедуры активного ТК. Большинство существующих процедур активного ТК могут быть классифицированы как разновидности импульсного ТК (pulsed thermal NDT), который предусматривает нагрев изделия импульсом тепловой энергии определенной длительности и реги-

страцию температуры на передней, задней или боковой поверхности изделия как во время действия импульса, т.е. на стадии нагрева, так и после его окончания, т.е. на стадии охлаждения.

Отличия могут быть связаны либо с физической реализацией нагрева, либо с особенностями обработки температурной информации, причем наибольшее число процедур ТК связано с тем, как количественная или качественная информация о скрытых дефектах извлекается из базовой температурной функции Т(х, у,т ) , описывающей изменение избыточной температуры изделия во времени для каждой точки изделия (х, у) . В процедурах тепло-визионного ТК эта функция определена для последовательности записанных термограмм и привязана к пикселям изображения: ТЦ, j,т ) [5].

Рисунок 1 - Базовые температурные функции активного теплового контроля: а-формирование последовательности термограмм и функции ТЦ, j,т ) ; б-импульс нагрева и формирование температурного сигнала ДТ

Типичный вид функций ТЦ, j,т ) показан на Рис. для дефектной (д) и бездефектной (бд) области. На передней поверхности в ходе нагрева избыточная температура изделия Т растет от нулевого значения и достигает максимума в конце теплового импульса длительностью h т . На задней поверхности максимум избыточной температуры наблюдается со сдвигом относительно конца нагрева. Величина этого сдвига возрастает с увеличением толщины изделия и снижением его температуропроводности. На стадии охлаждения вследствие теплообмена с окружающей средой только об избыточных температурах нагрева) [5-8].

Фундаментальным понятием ТК является температурный сигнал, определяемый как разность температур в исследуемой точке и в зоне, принятой за бездефектную: Т(х, у,т ) Т(х, у,т ) Т (х, у,т ) бд Д = - (в англоязычной литературе для обозначения ДТ часто используют некорректный термин «температурный контраст»). При таком определении, ДТ > 0 на передней поверхности изделия для дефектов, теплопроводность которых ниже, чем теплопроводность основного материала; на задней поверхности такие дефекты создают ДТ < 0 . Соответственно, дефекты, более теплопроводные, чем основной материал, создают температурные сигналы

обратного знака: ДТ < 0 на передней поверхности и ДТ > 0 на задней поверхности. Отметим, что в ряде случаев, вследствие различных теплоемкостей дефектной и бездефектной зон, на стадии охлаждения возможна инверсия знака ДТ , однако амплитуда соответствующих сигналов мала для их уверенной регистрации.

В процессе динамического нагрева/охлаждения температурный сигнал от внутреннего дефекта достигает максимального значения m ДТ в момент времени m т . Известно, что наибольшая статистическая достоверность НРК обеспечивается при максимально возможном отношении сигнал/шум. В динамических испытаниях это достигается в оптимальный момент наблюдения (optimum observation time). В первом приближении, можно считать, что ( ) m m т ДТ и есть оптимальный момент наблюдения. Из вышеприведенного рассуждения следует, что вместо записи последовательности термограмм можно фиксировать одну термограмму в момент m т , к чему и сводится большинство процедур активного ТК. При этом нагрев можно осуществлять коротким импульсом (flash, pulse) с регистрацией температуры в процессе охлаждения изделия, что получило название собственно «импульсного ТК» (pulsed thermal NDT).

При достаточно длительном нагреве оптимальный момент регистрации может наступить в ходе нагрева, что используется в методе «ИК радиометрии с временным разрешением» (Temperature-Resolved Infrared Radiometry, TRIR).

На первый взгляд парадоксально выглядит метод «раннего обнаружения сигнала» (early detection), согласно которому температурный сигнал регистрируют на ранних стадиях теплового процесса, т.е. при m т <т .

Рисунок 2

Последовательность действий при подготовке отчетов

Очевидно, что при этом отношение сигнал/шум невелико и, следовательно, возможно обнаружить только относительно большие дефекты. Тем не менее, преимуществом метода раннего обнаружения

является низкий уровень диффузии тепла в поперечных направлениях, в результате чего обеспечивается весьма высокое качество воспроизведения границ скрытых дефектов, близкое к тому, что имеет место в ультразвуковом НРК.

Иногда используют усреднение N термограмм в течение отрезка времени, центрированного относительно m т , в результате чего случайные шумы снижаются в N раз (averaging technique). В последние годы обработку сигналов в амплитудной области (amplitude domain) замещают или дополняют обработкой во временной (фазовой) области (time domain, phase domain), чем обеспечивают большие значения отношения сигнал/шум.

Разновидностями такого подхода являются метод динамической тепловой томографии (dynamic thermal tomography), основанный на использовании двух специфических параметров (Д№ и m т ) , а также методы импульсной фазовой термографии (pulse phase thermography) с использованием преобразования Фурье (Fourier transformation) или вейвлет-функций (wavelet functions).

ИК-обследование обычно выполняется согласно типовой последовательности операций. В этом разделе описан пример типовой последовательности операций при ИК-обследовании объектов (рис.2).

1. Получение ИК-изображений и/или цифровых фотоснимков объектов с помощью камеры.

2. Подключение камеры к компьютеру с помощью кабеля USB.

3. Импорт изображений из камеры в программное обеспечение FLIR ^ols.

4. Для создание отчета нужно выполнитьодно из следующих действий:

• Создание листа с изображением в формате PDF при помощи FLIR ^ols.

• Создайте отчет в формате PDF при помощи FLIR Tools.

• Создание нерадиометрического отчета Microsoft Word в формате FLIR Tools+.

• Создание радиометрического отчета Microsoft Word в формате FLIR Tools+.

5. Отправка отчета получателю в электронном или бумажном виде.

и диагностирование гражданской

ЛИТЕРАТУРА

1. Ямпольский В.И., Белоконь Н.И., Пилипосян Б.Н. Контроль авиационной техники. - М.: Транспорт, 1990.

2. Пивоваров В.А. Прогрессивные методы технической диагностики. М.: РИО МГТУГА, 1999.

3. Сироткин Н.Н., Коровкин Ю. М. Техническая диагностика авиационных газотурбинных двигателей. - М.: Машиностроение, 1979.

4. Методы измерений и приборы О. М. Епанчинцева, 2009 г.

5. Тепловизионная диагностика электрооборудования. [Электронный ресурс] — Режим доступа — URL: http://teplo-kontrol.ru/teplovizionnaya_diagnostika_elektro (дата обращения: 18.05.2014).

6. Технические требования к тепловизорам для диагностики электрооборудования. [Электронный ресурс] — Режим доступа — URL: http://teplovizo.ru/tehnicheskie-trebovaniya-k-teplovizoram.htm (дата обращения: 18.05.2014).

7. Вавилов В.П. Инфракрасная термография и тепловой контроль. - М.: ИД Спектр, 2009.- 544 с:

ил.

8. Куатов Б.Ж. Повышение надежности авиационной техники в процессе эксплуатации / Б. Ж. Куатов, А.З. Байсанов, Р. Р. Надрышин // Труды международного симпозиума Надежность и качество. - 2016. -№ 2 - С.250-253.

УДК 618.1

Васильев А.С., Коршунов Д.В., Лапшин Э.В.

ФГБОУ ВО «Пензенский Государственный университет», Пенза, Россия

РАЗВИТИЕ РАДИОСВЯЗИ В ОВЧ И ВЧ ДИАПАЗОНАХ

Радиосвязь, электросвязь посредством радиоволн. Для осуществления Радиосвязи в пункте, из которого ведётся передача сообщений (радиопередача), размещают радиопередающее устройство, содержащее радиопередатчик и передающую антенну, а в пункте, в котором ведётся приём сообщений (радиоприём), - радиоприёмное устройство, содержащее приёмную антенну и радиоприёмник. Генерируемые в передатчике гармонические колебания с несущей частотой, принадлежащей какому-либо диапазону радиочастот (см. Радиоволны), подверга-

ются модуляции в соответствии с передаваемым сообщением (см. Модуляция колебаний). Модулированные радиочастотные колебания представляют собой радиосигнал. От передатчика радиосигнал поступает в передающую антенну, посредством которой в окружающем антенну пространстве возбуждаются соответственно модулированные электромагнитные волны. Распространяясь, радиоволны достигают приёмной антенны и возбуждают в ней электрические колебания, которые поступают далее в радиоприёмник. Принятый т. о. радиосигнал очень слаб, т.к. в приёмную антенну попадает лишь ничтожная