CC BY
49
тепловизионныи контроль изготовления деталей и узлов
аппаратуры
Филатов С.В., проректор МГТУМИРЭА по международным связям ЦуниковА.Ю., аспирант МГТУ МИРЭА
Автоматизации контрольных операций на стадии приемки наталкивается на необходимость применения соответствующих измерительно-распознающих приборов и устройств, обладающих высоким быстродействием, температурным мониторингом с учетом особенностей производства пластических масс и полимеров.
Ключевые слова:пластические массы, полимеры, автоматизация контроля качества, дефектоскопия.
ir (thermal) monitoring of manufacturing parts and units of
equipment
Filatov S., vice-chancellor on the International relations of MSTU MIREA Tsunikov A., the post-graduate student of MSTU MIREA
Automation control operations at the stage of acceptance encounters the need for appropriate measuring and recognizing devices and equipment with high speed, temperature monitoring, taking into account peculiarities of the production ofplastics and polymers.
Keywords: plastics, polymers, automation of quality control, fault detection.
Пластические массы, в том числе армированные различными наполнителями, широко применяются для изготовления деталей и узлов аппаратуры, работающей в условиях высоких температур. Установлено, что наибольшей теплостойкостью обладают многослойные пластмассы, армированные кварцевыми, кремнеземными, угольными и графитовыми волокнами.Использование явлений поглощения и рассеяния излучения для исследования и дефектоскопии различных материалов, прозрачных в инфракрасной области спектра изучено и применяется в различных технических разработках [3]. При этом автоматизация контроля качества внутренней структуры изделий актуальна и востребована.
Принципиальная структурная схема измерительно-распознающего устройства включает четыре основных компонента: совмещенный измеритель и анализатор(1), преобразователь (2), база дескрипторов-эталонов (3), решатель (4) (рис. 1).
Алгоритм может быть постоянным для решения всех задач или изменяться от задачи к задаче [1].Исходя из предположения, что геометрия контролируемой детали и конструкция подогревателя идеальны, определяется, как отклонение от заданных геометрических параметров влияет на температуру поверхности контролируемой детали [1,2]. В этом случае наиболее существенные изменения температуры по поверхности детали могут быть связаны с возникновением микрорасслоений в материале. Вычисление стационарной температуры поверхности детали над расслоением проводится при условии, что сигнал является протяженным, и краевыми эффектами тогда можно пренебречь, считая процесс теплоотдачи одномерным.
Измеритель-анализатор
Преобразователь
База дескрипторов-эталонов
Решатель
»Отбор исходной информации об излучении »Формирование выходного сигнала по признакам излучения
»Прием сигнала лучистой энергии »Регистрация сигнала последовательным или параллельным способом и преобразование сигнала л и н ей ны м/н ел и н ей н ы м сп особом
«Описание всех типов принимаемых сигналов по классам излучений обрабатываемых типов
продукции
»Алгоритмы распознавания по классам излучений
Рис.1. Принципиальная структурная схема измерительно-распознающего устройства
Рис. 2. Схема дефектного и бездефектного материала: а) материал с расслоением; б) материал без расслоения.
Выберем положительное направление оси х, совпадающим с направлением распространения тепловых потоков, начало координат совместим с внутренней поверхностью детали, температура которой Т0 поддерживается постоянной и введем обозначения /р 12, /р для границ материал-расслоение, расслоение-материал, материал-окружающее пространство соответственно (см. рис. 2,а).Температура Т(х) в области расслоения материала должна удовлетворять стационарному уравнению теплопроводности
(1)
при следующих условиях:а) в рассматриваемой области источники тепла отсутствуют, температура и тепловой поток считаются непрерывными функциями координат
Тр (х)
х=0
= Т
0
(Их
¿ТЛх)
_ Р
О <х<1х
йх
12<х<1г
(2); (3);
б) материал излучает как серое тело, тогда потоками энергии, связанными с излучением окружающей среды, можно пренебречь (температура среды много меньше температуры детали), и граничное условие для Т (х) получим в виде:
х=1,
(¿Тр(х)
йх
Х=1
где С = 5,67Ч10-8 Вт/м2Чград4 - постоянная Стефана-Больцмана,
Р,
(4,)
8 ^
^ - степень черноты покрытия; - коэффициент теплопроводности покрытия; в) через вакуумную область расслоения передача энергии происходит через излучение, причем разность потоков мощностей, излучаемых при х = 11 и х = I равна потоку мощности, подводимой за счет теплопроводности материала от подогревателя. Отсюда получаем условие сшивания для Т(х):
с1Тп (х)
Х=1\ " г х=12 с1х
. (5)
Решаем уравнение теплопроводности (1) с учетом условий (2)-(5), найдем температуру поверхности исследуемого материала над расслоением
огРт*(х) , - ае[Тр(х)
х=и
х=1.
= 4
Орк
(6),
где градиент температуры в материале а определяется из уравнения
(0^/1 +То)
Орк
аг?
арк "(ГС?
(7)
Для бездефектного участка материала (см. рис. 2,б) температура поверхности Т(х) должна удовлетворять уравнению (1) при граничных условиях:
Т ( х)1 х=0 = Т0
сг8Г(х)
, (2а);
^ с1Т(х) х=1 <Лх
х=1.
В результате получаем следующее выражение для температуры поверхности бездефектного участка материала:
Л г1 = *
м
ак
ое,
(4а)
(8),
где градиент температуры а определяется из уравнения
(а/+г0) =-
а1
аЕ5 (9)
Так как коэффициент теплопроводности этих материалов находится в области 0,63 Вт/(мЧК) и толщины невелики, можно считать, что относительное изменение температуры в слое материала невелико:
а р11
< 1
М^-у , и 1 ——.—— «1, — «1.
р\х=и
(10); (11), для решения уравнений (7) и (9) можно воспользоваться методом последовательных приближений. Тогда в первом приближении имеем:
ТКЛШРОЮ" БШШБББ Ш КШБТЛ | №3 2014 | 113
Т\ _, - То; Тр - 0,841 Т0; АТ - 0,159 Т0 . Л~1 г х_I р
У (12)
Полученный результат позволяет утверждать, что температурный рельеф поверхности материала, в основном, определяется наличием расслоений внутри материала и практически не зависит от степени черноты его поверхности. При этом температура над расслоением не зависит от толщины и глубины залегания дефекта в материале. Это вызвано тем, что теплоотдача в полости расслоения идет преимущественно только за счет излучения.
8 Т 4
Энергетическая яркость поверхности серого излучателя пропорциональна произведению ^ и, поэтому яркостное изображение поверхности материала воспроизводит как температурный рельеф, как в случае изменения степени черноты поверхности. Следовательно, контроль температуры поверхности материала детали по излучению возможен лишь в случае учета значений коэффициента излучения. Для проведения исследований теплового рельефа разогретой поверхности детали разработана специальная установка [4], позволяющая проводить измерения при температуре поверхности в области от 330 К до 550 К, что перекрывает температурный диапазон при котором производятся испытания.
Принципиальная структурная диаграмма установки теплового контроля приведена на рис. 3. Установка работает следующим образом. Измеряемый лучистый поток (ЛП), пройдя блок сканирования, состоящий из зеркал строчной и кадровой развёртки, и оптическую систему, фокусируется в плоскости диафрагмы мгновенного угла поля зрения устройства, расположенной непосредственно перед чувствительным элементом ИК-приёмника излучения . Сигнал с приемника излучения усиливается с помощью усилителя 6 и поступает в блок оцифро-вываниясигнала датчика. После соответствующей обработки сигнал отображается в виде цветногографического изображения объекта на экране монитора.
Блок формирования зоны информативности формирует контурное изображение объекта, которое выводится на монитор. На изображении устанавливаются реперные маркеры, разделяющие линии контурного изображения на множество простых линий. Эти линии визуализируются в виде элементарных утонченных линий, представляющих собой координаты зон информативности на исходном тепловом изображении.Формирование кадра производится на основе заполнения установленной зоной информативности с одинаковым и постоянным числом элементов разложения. Для этого синхронизируются углы отклонения зеркал строчной и кадровой разверток датчика сканирования с учетомзначения мгновенного угла поля зрения поступающего сигнала.Формирование температурного интервала служит для автоматической установки оптимального температурного диапазона в зоне информативности исследуемого объекта.Фиксируются следующие характеристики системы: геометрическая разрешающая способность - 256 х 256, время измерения - 10 с, чувствительность по температуре в диапазоне - 330-500 Кс погрешностью в 0,15 град, минимальная температура контролируемого объекта, приведенная к температуре черного тела, - 330 К.Дефекты пустот различной ширины от 0,5 до 3 мм хорошо выделяются при толщинах материала (теф-лонов) до 20 мм, дефекты типа непрозрачных включений выявляются при толщинах этого материала до 35 мм.
Рис. 3. Принципиальная структурная диаграмма теплового мониторинга
Литература:
1. Барынин В.А. Современные технологии неразрушающего контроля конструкций из полимерных композиционных материалов [Текст] / В. А. Барынин, О. Н. Будадин, А. А. Кульков. - Москва: Спектр, 2013. - 242 с.
2. В. Шах Справочное руководство по испытаниям пластмасс и анализу причин их разрушения 3-е издание Пер. с англ. под ред. А.Я. Малкина 2013 г. - 736 с.,
3. Голубь Б.И., Анцыферов С.С. Автоматизированная широкоспектральная информационно-распознающая адаптивная система пассивной лучевой диагностики в практике медицинских исследований. // Труды Научной конференции "Медицинская кибернетика в клинической практике", - М.: МО РФ, ГВКГ им. Бурденко, 1999, с. 113-114.
