Тепловые методы
УДК 620.172.224.2
ТЕПЛОВИЗИОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ МЕХАНИКЕ
Е. С. Лукин, А. М. Иванов, Б. Г. Вайнер
Рассматриваются возможности применения тепловизионных методов в экспериментальной механике. Приводятся примеры диагностики дефектов в изделиях, исследования особенностей процесса деформирования конструкционных материалов и элементов конструкций с применением матричного тепловизора ТКВр-ИФП.
Тепловизионные методы исследования достаточно широко используются при неразрушающем контроле различных объектов во многих отраслях промышленности, в медицине и других областях. С их помощью обнаруживаются трещины, расслоения элементов конструкций, прогары котлов, выявляются перегревы, вызванные дефектами контактных соединений в оборудовании подстанций и т. д. Дистанционно измерять температуру и формировать тепловое изображение исследуемого объекта позволяют промышленно выпускаемые тепловизионные или инфракрасные (ИК) камеры. В настоящее время в зависимости от назначения выпускаются как портативные, так и стационарные тепловизионные системы. В качестве регистрирующего (фотоприемного) модуля в них, как правило, используются полупроводниковые одиночные, линейчатые или матричные детекторы ИК-излучения. В последнем случае фотоприемники различаются по типу и степени дискретизации матрицы.
Малогабаритные компактные тепловизионные системы, такие как "Thermovision-550" ("Agema") [1], "Thermo Tracer TH-7102 MX/WX" ("NEC San-ei") [2] и другие, позволяют проводить запись и анализ статических термоизображений и термоизображений в реальном масштабе времени. Функции меню таких тепловизоров позволяют сохранять/удалять термограммы, измерять температуру в точке, среднюю температуру на выделенном участке и пр. Портативные тепловизоры позволяют производить контроль и диагностику состояния конструкций и объектов в полевых условиях. Такие камеры должны удовлетворять самым жестким требованиям эксплуатации в отношении ударопрочности и вибростойкости.
Дистанционная медицинская термография, где, как правило, используются стационарные системы, позволяет проследить за динамикой течения болезни в условиях поликлиник и стационаров, а также за динамикой состояния больного при хирургических и иных вмешательствах. Медицинские тепловизоры используются для обследования больных, а также в косметологии [3—5].
Экспресс метод определения характера распространения теплового потока в материалах с помощью ИК-камеры представлен в работе [6]. В эксперименте прямоугольной пластине определенной толщины короткими импульсами электромагнитного излучения при помощи вспышки сообщается некоторое количество энергии, приводящей к разогреву. Регистрируемое тепловизором изменение температурного поля образца в зависимости от времени позволяет количественно оценить распространение теплового потока в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Данный метод используется для исследования новых материалов, применяемых в аэрокосмической технике.
С появлением высокочувствительных и быстродействующих тепловизионных систем стало возможным их применение для решения задач экспериментальной механики. Некоторые возможности последующей обработки первичной информации, полученной с помощью тепловизора
"Thermovision-550" ("Agema") и медь-константановых термопар с измерительно-вычислительным комплексом "Hewlett Packard", представлены в [7, 8].
Исследование деформирования и разрушения материалов с регистрацией термограмм и измерением температуры основано на явлении теплового эффекта, сопровождающего процессы деформации. О тепловых эффектах, сопровождающих упругую и пластическую деформации, известно давно. Выделение тепла из деформируемого образца экспериментально было изучено Кельвином еще в середине XIX в. При упругой деформации растяжения наблюдается охлаждение материала, при упругом сжатии — нагрев. Переход в пластическую стадию процесса деформирования сопровождается появлением необратимых пластических деформаций, выделением и рассеянием энергии в виде тепла [7—14].
Тепловизоры с достаточно высокой температурной чувствительностью и подходящим рабочим диапазоном измеряемых температур можно использовать для визуального исследования тепловых полей объектов в процессе их деформирования по интенсивности сопровождаемого эти процессы инфракрасного излучения. При этом тепловые поля объектов, локально разогретых в процессе пластического деформирования, отображаются в виде термограмм (тепловых карт). В отличие от контактных методов измерения температуры в точке, например, с помощью термопар бесконтактные регистрируют тепловое поле сразу всей исследуемой поверхности, чем существенно повышается информативность метода. Некоторые примеры исследования деформирования металлов с использованием дистанционной термографии приведены в [15, 16].
В настоящей работе рассматриваются возможности и примеры применения матричного тепловизора ТКВр-ИФП [3] для диагностики изделий и исследования деформаций. Быстродействующая (частота измерений несколько десятков кадров в секунду) и высокочувствительная (0,03 °С) тепловизионная система ТКВр-ИФП, разработанная Институтом физики полупроводников ОИФП СО РАН (г. Новосибирск) позволяет проводить анализ в режиме получения статических термограмм и в режиме реального времени с непрерывным отображением тепловых карт объектов на мониторе компьютера [17]. При этом имеется возможность сохранять в виде файлов как единичные термограммы (размером около 32 килобайт), так и термофильмы, измеренные в реальном масштабе времени с заданной частотой кадров (размер файла в этом случае зависит от длительности фильма). Технические характеристики тепловизора приведены в [3, 17].
Программное обеспечение, предназначенное для работы в среде Windows и сопровождающее стандартную тепловизионную систему, было адаптировано для решения задач экспериментальной механики. При этом учитывались характер процесса деформирования конструкционных материалов при статическом нагружении и тип решаемых задач: динамическое изменение поведения материалов, диапазон изменения температуры образца при деформировании, выявление особенностей и стадийности процесса деформирования материала и т. д.
Можно отметить следующие функции анализа термограмм, поддерживаемые адаптированным к задачам экспериментальной механики программным обеспечением: наблюдение на экране монитора цветного (256 цветов) или черно-белого (256 оттенков) теплового изображения в реальном масштабе времени, измерение температуры в любой точке кадра, оценка разности температур между двумя точками, расстановка меток с показаниями текущей температуры в разных точках кадра, отображение графика распределения температуры вдоль горизонтальной и вертикальной
линий кадра, построение графика изменения температуры со временем для выбранной точки на термограмме (в режиме термофильма), а также регистрация изменений во времени максимальной Гмакс, минимальной Тмт и средней Гф температур на выделенном участке поверхности образца.
Возможности тепловизионной системы ТКВр-ИФП с диапазоном измеряемых температур 20—45 °С в комплекте со стандартным объективом с максимальным пространственным разрешением около 0,3—0,4 мм на пиксел позволяют исследовать образцы из металлов и их сплавов, композитов, полимеров и других материалов в ходе их технологических испытаний. Схема проведения эксперимента представлена на рис. 1.
Объект
Рис. 1. Схема проведения эксперимента.
Пример результатов тепловизионной диагностики качества полиэтиленовой трубы размерами 64x148 мм и толщиной стенки 4 мм представлен на рис. 2. Нижний конец трубы закрыт впаянной в нее заглушкой. На приведенной термограмме видно, как снизу вверх распространяется
Дефект
Рис. 2. Скрытый непрямой надрез длиной 22 мм и глубиной 2 мм внутри полиэтиленовой трубы размерами 64x144 мм и толщиной 4 мм.
тепловой поток при заливке горячей воды (в нижней части трубы эта область более яркая). Скрытый непрямой надрез длиной 22 мм, глубиной 2 мм и шириной 0,5 мм в трубе идентифицируется наличием более яркой
линии на тепловом изображении. Поскольку через участок трубы, где расположен надрез, отвод тепла происходит более интенсивно из-за меньшей толщины стенки, то в месте его расположения температура выше, чем в остальной части. Следует отметить, что данное явление наблюдается только в начальной стадии нагрева трубы. С течением времени температура по толщине стенки стабилизируется и ее распределение становится практически равномерным.
Исследование стальных образцов проводилось на универсальной испытательной машине "Instron-1195". Данная машина позволяет проводить механические испытания на одноосное статическое растяжение, сжатие и малоцикловую усталость при нагрузке до 100 кН в диапазоне температур от -60 °С до +300 °С с использованием температурной камеры. Образцы в нормальных условиях подвергались одноосному растяжению со скоростью 8,3-Ю-5 м с-1. Запись машинной диаграммы растяжения сопровождалась регистрацией температурного режима образца. Термограммы записывались в режиме "термофильм", что дало возможность проследить кинетику процесса деформирования.
е, %
Рис. 3. Слева — термограмма деформированного в вертикальном направлении образца с центральным круговым отверстием, изготовленного из стали 18Г2С. Справа — диаграмма растяжения образца 4 и изменение максимальной /, средней 2 и минимальной 3 температур в одном из фрагментов области локализации деформации (выделен прямоугольником) в зависимости от относительного удлинения.
На рис. 3—4 в качестве примера приведены результаты тепловизион-ных измерений при испытании образцов из стали 18Г2С с классическим концентратором напряжений — центральным круговым отверстием. Образец представлял собой пластину (65x18,4x2,2 мм) с отверстием диаметром 3,9 мм. Рис. 3 включает тепловое изображение образца, изменение максимальной, минимальной и средней температур на выделенном участке термограммы, а также диаграмму растяжения образца. Термограммы образца при £ = 1,4—6,1 % приведены на рис. 4.
Анализ термограмм и количественных изменений температурного режима обра
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.