Устройства обработки и визуализации сигналов вихретоковых преобразователей для компьютерной дефектоскопии изделий

Повышение надежности и безаварийности работы агрегатов и узлов машин невозможно без широкого применения современных методов и средств неразрушаю щего контроля. Одно из ведущих мест здесь занимают вихретоковые методы, позволяющие создавать высокопроизводительные, сравнительно простые и безопасные в эксплуатации средства дефектоскопии изделий.

Особенно актуальны вопросы повышения эффективности неразрушаю-щего контроля на предприятиях энергетики, транспорта и химической промышленности. В этих отраслях средства вихретокового контроля применяют для дефектоскопии труб, лопаток паровых турбин и других элементов энергетических установок. На судоремонтных предприятиях стоит задача дефектоскопии гребных валов — выявление усталостных трещин и определение степени ремонтопригодности изделия. Сложность решаемых задач, значительное число факторов, влияющих на работу средств контроля, необходимость обработки больших массивов информации с датчиков в реальном масштабе времени требует применения новых подходов к созданию средств вихретокового контроля, основанных на внедрении современных компьютерных технологий обработки и представления информации.

Создание универсальных средств вихретокового контроля функционирующих в широком диапазоне частот с различными датчиками, обладающих широкими возможностями обработки и представления сигналов в режиме реального времени невозможно без использования новых методов построения узлов дефектоскопов на принципах цифровой обработки и формирования сигналов. Современная элементная база позволяет создавать универсальные узлы подобных приборов, способных работать в диапазоне частот от 0 до 10 МГц.

Компьютеризация средств вихретокового контроля позволяет реализовать современные принципы обработки измерительной информации, основанные на визуализации сигналов датчиков, формирования и пространственной «фильтрации изображений дефектных участков изделий, идентификации выявленных дефектов, подавления различных мешающих факторов: вариации зазора между датчиком и изделием, загрязненность и шероховатость поверхности, пространственные изменения электрофизических характеристик и.т.п.

Реализация указанных методов позволяет существенно повысить эффективность средств вихретоковой дефектоскопии, надежность и достоверность 5 контроля, проводить мониторинговый контроль объектов и документирование его результатов.

Таким образом, компьютеризация средств вихретоковой дефектоскопии, создание устройств и алгоритмов обработки и визуализации сигналов вихрето-ковых преобразователей (ВТП) в условиях воздействия различных помех — актуальная задача неразрушающего контроля и систем управления качеством продукции.

Работа выполнялась по следующим научным программам:

1. Государственная научно-техническая программа «Наукоемкие технологии», МФЦ СГАУ, 1991;1996 г. г.

2. Инновационная межвузовская научно-техническая программа «Надежность конструкций», НИИ ПНМС, СГТУ 1992, 1994;1997 г. г.

3. Межвузовская научно-техническая программа Госкомвуза России «Не-разрушаюгций контроль и диагностика» НУЦ «Сварка и контроль», МГТУ им. Баумана, 1995;1997 г. г.

4. Инновационная программа «Надежность и качество в технике и технологии» НИИ ПНМС, СГТУ, 1998;2000 г. г.

5. Межвузовская научно-техническая программа МО и ПО РФ «Сварка и контроль» НУЦ «Сварка и контроль», МГТУ им. Баумана, 1998 — 2000 г. г.

Цель работы:

Повышение эффективности средств вихретоковой дефектоскопии изделий, выявления и идентификации поверхностных дефектов за счет создания компьютерных устройств и алгоритмов визуализации и обработки сигналов вихретоковых преобразователей в условиях воздействия помех.

В результате проведенных исследований разработаны и выносятся автором на защиту:

1. Математическая модель ВТП со стержневым магнитопроводом.

2. Алгоритмы сканирования и визуализации дефектных участков изделий.

3. Алгоритм идентификации типа дефекта по компьютерным изображениям для дефектов типа: трещина, волосовина и прижог.

4. Устройства цифровой обработки сигналов при вихретоковой компьютерной дефектоскопии изделий. 6.

Основные результаты работы:

1. Проведенный сравнительный анализ существующих вихретоковых устройств показал, что использование компьютера сводится к накоплению и хранению результатов контроля. Отмечено, что большинство существующих вихретоковых приборов не ориентировано на непосредственное использование компьютерных средств в своем составе. Отмечается недостаточность средств визуализации и обработки изображений, ориентированных на применение в вихретоковом контроле, что сдерживает широкое использование компьютерных методов в дефектоскопии изделий. Отмечено, что актуальной задачей для вих-ретоковой компьютерной дефектоскопии является разработка алгоритмов цйф-ровой обработки сигналов ВТП, способных эффективно функционировать в условиях воздействия шумов и помех.

2. Показано, что для повышения эффективности вихретоковой компьютерной дефектоскопии изделий необходимо:

— физико-математическое моделирование электромагнитных полей и сигналов ВТП с магнитопроводами с целью оптимизации режимов сканирования дефектных участков изделия;

— разработка эффективных алгоритмов сканирования и визуализации сигналов ВТП, цифровой обработки сигналов в реальном масштабе времени;

— исследование алгоритмов обработки изображений дефектных областей изделия с целью повышения эффективности их выявления при воздействии помех и идентификации отдельных типов дефектов;

— реализация компьютерных средств вихретоковой дефектоскопии на основе современной процессорной техники и элементной базы.

3. Предложена расчетно-теоретическая модель ВТП с осесимметричным полем, позволяющая рассчитать электромагнитные поля и выходные параметры преобразователей, выполненных на основе стержневых и полуброневых магни-топроводов. Выполнен анализ основных уравнений для электромагнитных полей ВТП при наличии осевой симметрии, предложен алгоритм их решения, учитывающий особенности пространственной структуры осесимметричного поля.

В результате решения основных уравнений электромагнитного поля получены аналитические выражения для полей реакции объекта контроля в зоне расположения ВТП и распределения вихревых токов в металле. Отличительной особенностью предложенного в работе алгоритма расчета полей является использование экспериментальных данных о параметрах возбуждающего магнитного поля ВТП, что позволило учесть влияние магнитопровода на структуру полей реакции контролируемого объекта.

4. Разработана методика расчета выходных сигналов ВТП со стержневым магнитопроводом. Исследована сходимость полученных рядов Фурье-Бесселя для электромагнитных полей и вносимых напряжений ВТП. Показано, что среднеквадратичная погрешность расчета полей и параметров ВТП составляет 4,4% при использовании 10-ти первых членов ряда- 2,8% - при использовании 20-ти членов ряда Фурье-Бесселя, и 1,4% при 30-ти членах этого ряда. Проведен анализ первичного магнитного поля ВТП вблизи рабочего торца магнитопровода, что позволяет оценить размеры зоны контроля преобразователя в горизонтальной плоскости при сканировании поверхности объекта.

5. На основе полученных в работе аналитических выражений для электромагнитных полей и параметров ВТП определена зона контроля преобразователя при сканировании поверхности объекта контроля. Показано, что глубина проникновения вихревых токов в металл зависит не только от рабочей частоты, но и от структуры возбуждающего поля в плоскости, параллельной рабочему торцу ВТП. Получены формулы для глубины проникновения поля в металл для преобразователя с ферритовым стержневым магнитопроводом. Установлено, что локализация возбуждающего поля в плоскости, параллельной поверхности объекта, приводит к уменьшению глубины проникновения Ак по сравнению с известной, классической величиной, А. Так, если отношение Я/А близко к единице, то реальная глубина проникновения Аь в 2,44 раза меньше классической А, а при Я — ОДА примерно в 15 раз меньше классической. Показано, что с приближением возбуждающего поля к однородному значение Ак приближается к А. Эти результаты позволяют выбрать оптимальные режимы и размеры ВТП (рабочие частоты, диаметр магнитопровода) при выявлении приповерхностных дефектов в пределах заданной толщины контролируемого слоя.

6. Предложены алгоритмы сканирования поверхности контролируемого изделия: дискретное, непрерывное одномерное, непрерывное построчное. Определены основные операции этих алгоритмов: задание размеров сканируемой области, измерение уровней сигналов ВТП в воздухе и на металле, фиксация момента установки-отрыва датчика от поверхности, задание частоты опроса датчика, числа сканируемых строк и скорости сканирования.

7. Определены параметры цифровых устройств для формирования и первичной обработки сигналов ВТП в реальном масштабе времени: цифровых генераторов, синхронных и фазовых детекторов. Показаны пути снижения искажений выходных сигналов цифровых генераторов. Проведены исследования алгоритмов цифровой обработки для определения параметров сигналов ВТП: амплитудных и фазовых детекторов, цифровых синхронных детекторов, алгоритмов спектрального анализа.

8. Для проведения экспериментальных исследований алгоритмов цифровой обработки и визуализации сигналов ВТП разработана компьютерная установка, набор ВТП со стержневыми магнитопроводами, контрольные образцы с дефектами типа: трещина, волосовина, прижог. Использование в этой установке мощного сигнального процессора с производительностью 28 MIPS позволяет исследовать работу различных узлов и алгоритмов в режиме реального времени для сигналов с частотой от 0 до 200 кГц.

9. Проведен анализ возможных методов визуализации сигналов ВТП при различных способах сканирования изделия: амплитудное и фазовое изображение сигналов, изображение сигналов ВТП на комплексной плоскости, общематематические средства визуализации данных (MatLab, MatCAD, IRIS Explorer), позволяющие формировать цветные и полутоновые изображения дефектных зон, трехмерные изображения. Разработан пакет программ визуализации данных, ориентированный на использование в переносных компьютерных средствах вихретокового контроля на базе компьютеров типа NoteBook, при минимальных аппаратных требованиях.

10. Проведен анализ воздействия следующих мешающих факторов на изображения дефектных зон изделия: зазор, перекос и усилие прижима датчика, загрязнения шероховатость поверхности, пространственные изменения магнитных свойств образца. Показан характер их воздействия на изображение в зависимости от используемого алгоритма сканирования поверхности: низкочастотное, высокочастотное, случайное, импульсное.

11. Проведены исследования эффективности подавления указанных мешающих факторов с помощью алгоритмов пространственной фильтрации. На конкретных примерах показано, что применение медианной фильтрации обеспечивает практически полное подавление импульсной помехи, тогда как НЧ фильтрация подавляет эту помеху примерно в 4,5 раза. Для высокочастотной и случайной помехи НЧ фильтрация обеспечивает подавление помехи в 3 раза, а медианная 2,5 раза, в последнем случае на изображении сохранятся резкие переходы, то есть не происходит размывания изображения дефектной зоны.

12. Разработан мультидифференциальный алгоритм очистки изображений от помех, основанный на сравнении сигнала в каждой точке контролируемой поверхности с каждым из остальных сигналов, вычитании фона изображения и выделении дефектной зоны с помощью пороговой обработки.

13. Разработан алгоритм идентификации дефектов типа трещина, волосовина, прижог. Экспериментальная проверка алгоритма идентификации показала, что для дефектов типа прижог годографы располагаются в направлении ai «45°, для трещин а2 «120°, а для дефектов типа волосовина в направлении аз «170°.

14. На базе цифрового сигнального процессора TMS320C50 разработан универсальный блок сопряжения вихретоковой аппаратуры с компьютером. Блок сопряжения позволяет: осуществить питание ВТП в диапазоне частот от 0 до 500 кГцоцифровать выходной сигнал ВТП с частотой от 0 до 200 кГцпроизвести предварительную обработку сигналов в реальном масштабе временипередать результаты обработки в ЭВМ. Разработано программное обеспечение поддерживающее работу блока сопряжения, которое включает в себя функции: программирование блока сопряжения, обмена информацией в режиме измерения, обработки измерительных данных, одномерной визуализации изображений дефектных зон изделия, поддержку средств визуализации MatLab.

15. Разработана экспериментальная компьютерная вихретоковая установка на базе серийных измерительных приборов. Для сопряжения приборов с компьютером используется канал общего пользования по ГОСТ 26.003−80. Использование метрологически аттестованных измерительных приборов позволяет значительно сократить время на разработку аппаратной части вихретокового устройства.

16. Разработана вихретоковая компьютерная установка на базе промышленного дефектоскопа. Испытания установки на ЗАО «Нефтефлот» показало ее эффективность для выявления дефектов гребных валов судов, что подтверждено протоколом заводских испытаний. Были выявлены и оценены параметры усталостных трещин на различных участках гребных валов судов, что позволяет определить их ремонтопригодность и технологию устранения выявленных трещин. Применение установки для контроля кромок лопаток тепловых турбин позволяет значительно повысить производительность и достоверность контроля. Полученные результаты показали эффективность применения установки для выявления дефектов типа трещина и коррозия.

Заключение

.

Выполненные в работе теоретические и экспериментальные исследования позволили разработать компьютеризированное цифровое вихретоковое устройство для выявления поверхностных дефектов металлоизделий, а также алгоритмы обработки сигналов и визуализации изображений дефектных участков изделий.