Устройство для инфракрасной термографии полимерных композиционных материалов в среде постоянного магнитного поля

Авторы патента:

Косенко Екатерина Александровна (RU)

G01N25/72 - обнаружение локальных дефектов (путем определения коэффициента теплопроводности G01N 25/18)

G01J5/60 - путем определения цветовой температуры

G01J2005/0077 - Измерение интенсивности, скорости или спектрального состава, поляризации, фазы или импульсных характеристик инфракрасных, видимых или ультрафиолетовых лучей; колориметрия; радиационная пирометрия (источники света F21,H01J,H01K,H05B; определение свойств веществ оптическими средствами G01N)

Владельцы патента RU 2763987:

Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ) (RU)

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к устройствам для выполнения неразрушающего контроля изделий из полимерных композиционных материалов (ПКМ). Заявлено устройство для инфракрасной термографии полимерных композиционных материалов в среде магнитного поля, которое содержит раму для крепления объекта контроля, на которой размещен штатив с видеокамерой. При этом рама снабжена направляющими с установленными в них планками с электромагнитами с возможностью обеспечения перемещения. Видеокамера посредством шарнирного соединения установлена на горизонтальной штанге штатива на расстоянии от объекта контроля, обеспечивающем оптимальное фокусное расстояние для регистрации теплового диагностического сигнала от объекта контроля. Технический результат – обеспечение возможности распознавания недоотвержденного состояния матрицы ПКМ. 1 ил.

Одним из наиболее опасных дефектов изделий, изготовленных из ПКМ, является недоотверждение связующего (матрицы), характеризующееся степенью полимеризации менее 95-98%. Наличие данного дефекта приводит к резкому снижению эксплуатационных свойств и характера разрушения деталей из ПКМ при статическом и динамическом нагружении.

Согласно ГОСТ Р 56787-2015 «Композиты полимерные. Неразрушающий контроль» для определения недоотвержденного состояния матрицы ПКМ возможно использовать только один единственный метод – ультразвуковую дефектоскопию. Ультразвуковая дефектоскопия, несмотря на широкое распространение в различных отраслях промышленности при использовании в отношении полимерных композиционных материалов обладает некоторыми недостатками, к которым относятся: высокое затухание акустических волн, вероятность удержания и впитывания жидкости, выступающей в качестве проводящей среды, а также необходимость наличия относительно ровной и гладкой поверхности для выполнения контроля. Другим эффективным и лишенным недостатков ультразвуковой дефектоскопии методом неразрушающего контроля является инфракрасная термография, позволяющая быстро исследовать большие поверхности, выявляя участки, которые должны быть подвергнуты более тщательному контролю.

При распознавании недоотвержденного состояния полимерной матрицы композиционного материала методом инфракрасной термографии аморфная (неупорядоченная) структура полимера, наличие микрообластей с повышенным локальным порядком, с более высокими межмолекулярными связями усложняет определение температурной границы твердого и недоотвержденного состояния.

Известен способ инфракрасной термографии недоотвержденного состояния матрицы ПКМ под воздействием на объект контроля постоянного магнитного поля (ПМП). Данный способ заключается в том, что в твердых полимерах под действием ПМП изменяются механические характеристики и наблюдаются ориентационные явления в среде полимера. Таким образом, за счет возникновения в контролируемых областях с полным и недоотвержденным состоянием матрицы ПКМ под действием ПМП и ориентационных явлений зон с разной степень упорядоченности молекул становится возможным определить между ними температурную границу при выполнении инфракрасной термографии (см. Косенко Е.А., Зорин В.А,, Баурова Н.И. Анализ влияния постоянного магнитного поля на результаты контроля качества деталей из полимерных композиционных материалов методом инфракрасной термографии / Все материалы. Энциклопедический справочник. 2018. № 7. С. 30-33).

Известен большой ассортимент оборудования для выполнения инфракрасной термографии от простого (ручной тепловизор (инфракрасная видеокамера) и тепловая пушка) до сложного (полностью интегрированные системы с компьютерным управлением). Данное оборудование позволяет регистрировать распределение температуры на всей поверхности объекта контроля во время или сразу после нагрева (или охлаждения) контролируемой области. Изменение интенсивности теплового потока, вызванное расположенными близко к поверхности дефектами, воздействует на получаемое распределение температуры на поверхности объекта контроля. Нагрев объекта контроля осуществляется за счет реализации механизмов теплопроводности, конвекции и излучения. К типичным дефектам, определяемым данным оборудованием, относятся пустоты, заполнения, трещины, расслоения и присутствие жидких сред (см. ГОСТ Р 56787-2015 «Композиты полимерные. Неразрушающий контроль»).

Недостатком известного оборудования является невозможность распознавания недоотвержденного состояния матрицы ПКМ.

Наиболее близких аналогов к заявленному техническому решению из области техники не выявлено.

Достигаемым при использовании предлагаемого изобретения техническим результатом является обеспечение возможности распознавания недоотвержденного состояния матрицы ПКМ.

Технический результат достигается тем, что устройство для инфракрасной термографии полимерных композиционных материалов в среде магнитного поля содержит раму для крепления объекта контроля, двух электромагнитов и штатива с инфракрасной видеокамерой. При этом электромагниты расположены на планках напротив друг друга по обе стороны рамы с возможностью перемещения вдоль рамы, а также по направлению друг к другу и в обратном направлении. Инфракрасная видеокамера установлена на горизонтальном штативе на расстоянии от объекта контроля, обеспечивающем оптимальное фокусное расстояние для регистрации теплового диагностического сигнала от объекта контроля. Объектив инфракрасной камеры направлен на раму, строго перпендикулярно объекту контроля.

Наличие в установке двух электромагнитов, расположенных напротив друг друга, позволяет создавать в области рамы постоянные магнитные поля, силовые линии которых имеют одинаковое направление и параллельны друг другу.

Возможность перемещения электромагнитов по направлению друг к другу и обратно позволяет размещать на раме между ними объекты контроля различных габаритных размеров. При этом должно обеспечиваться пересечение силовых линий, создаваемых электромагнитами магнитных полей.

Электромагниты являются съемными и при необходимости могут быть заменены на электромагниты с иными количественными характеристиками магнитного поля.

В качестве источника нагрева объекта контроля могут быть использованы инфракрасные лампы, импульсные лампы, прожекторы, возможен конвекционный нагрев теплым воздухом, при необходимости для проведения измерений объект контроля может быть охлажден.

Предлагаемое устройство при выполнении инфракрасной термографии позволяет создавать в структуре полимерной матрицы композита ориентационные явления, приводящие к разной степени упорядоченности молекул в зонах с полностью отвержденной и недоотвержденной матрицей, делая возможным выявление температурной границы между ними и температурного диагностического сигнала, характеризующего наличие дефекта.

Предлагаемое устройство поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематично представлен общий вид устройства.

Устройство для инфракрасной термографии полимерных композиционных материалов в среде магнитного поля содержит раму 1, на которой размещается объект контроля 2. Рама содержит стойку штатива 3, направляющие 4, по которым перемещаются планки 5 с размещенными на них электромагнитами 6. Электромагниты установлены на планках свободно и могут осуществлять продольное перемещение по ним. По стойке штатива в вертикальном направлении с возможностью поворота вокруг оси в горизонтальной плоскости перемещается поперечная штанга 7 с держателем 8, в котором шарнирно крепится инфракрасная видеокамера 9, при этом ее объектив направлен на раму. В креплении 10 поперечной штанги к стойке установлены линейные подшипники, обеспечивающие ее плавное линейное перемещение.

Предлагаемое устройство функционирует следующим образом.

На раме 1 в среду постоянного магнитного поля между двумя электромагнитами 6 размещается объект контроля 2 из полимерного композиционного материала. Объект контроля может быть предварительно нагрет, либо подвергаться нагреву любым из известных способов (кроме нагрева в среде жидкости) в процессе выполнения инфракрасной термографии. Перемещая поперечную штангу в вертикальном направлении, устанавливается оптимальное фокусное расстояние между инфракрасной видеокамерой 9, закрепленной шарнирно в держателе 8, и объектом контроля. В случае, если фокусное расстояние не позволяет охватить всю площадь контроля, то перемещая поперечную штангу 7 в продольном направлении посредством крепления 10 и/или поворачивая ее вокруг стойки штатива 3 в горизонтальной плоскости производится поэтапная регистрация с помощью инфракрасной видеокамеры изменения распределения температурного поля на поверхности объекта контроля. Синхронное перемещение планок 5 по направляющим 4 и электромагнитов вдоль планок позволяет создавать постоянное магнитное поле в различных зонах крупногабаритного объекта контроля.

Предлагаемое изобретение поясняется примерами.

Пример 1

Примером реализации устройства является выполнение инфракрасной термографии на предмет наличия недоотвержденного связующего лопатки компрессора газовой турбины (объект контроля), изготовленной из базальтопластика, компонентами которого являются биаксиальная базальтовая ткань с направлением армирования волокон 0/90° и эпоксидная смола. Лопатка размещается на раме устройства. В зоне размещения лопатки с помощью двух электромагнитов, расположенных по обе стороны от объекта контроля, создается постоянное магнитное поле напряженностью 68 А/см. Регулировка расположения электромагнитов относительно объекта контроля осуществляется посредством их перемещения по направляющим и вдоль планок. Под действием постоянного магнитного поля в твердом полимере создаются ориентационные явления, позволяющие определить температурную границу между зонами с разной степенью упорядоченности молекул. Объект контроля подвергается медленному нагреву с помощью инфракрасных ламп. Регистрация температурного диагностического сигнала от объекта контроля осуществляется с помощью инфракрасной видеокамеры с температурной чувствительностью не менее 50 мК, объективом не менее 32° x 23°, матрицей не менее 160 x 120 пикселей, и разрешением термограммы не менее 320 х 240. С помощью шарнирного крепления объектив инфракрасной видеокамеры направляется перпендикулярно поверхности объекта контроля. Средняя температура диагностического сигнала от недоотвержденного полимерного связующего составит ≈ 33°С при средней температуре базальтопластика ≈ 32°С. Анализ полученных результатов осуществляется с помощью специального программного обеспечения путем построения гистограмм распределения температур в заданных контурах или по линиям термограмм.

Пример 2

Примером реализации устройства является выполнение инфракрасной термографии на предмет наличия недоотвержденного связующего лопатки компрессора газовой турбины (объект контроля), изготовленной из базальтопластика, компонентами которого являются биаксиальная базальтовая ткань с направлением армирования волокон 0/90° и эпоксидная смола. Лопатка, предварительно нагретая до температуры ≈ 33°С размещается на раме устройства. В зоне размещения лопатки с помощью двух электромагнитов, расположенных по обе стороны от объекта контроля, создается постоянное магнитное поле напряженностью 68 А/см. Регулировка расположения электромагнитов относительно объекта контроля осуществляется посредством их перемещения по направляющим и вдоль планок. Под действием постоянного магнитного поля в твердом полимере создаются ориентационные явления, позволяющие определить температурную границу между зонами с разной степенью упорядоченности молекул. Регистрация температурного диагностического сигнала от объекта контроля осуществляется с помощью инфракрасной видеокамеры с температурной чувствительностью не менее 50 мК, объективом не менее 32° x 23°, матрицей не менее 160 x 120 пикселей, и разрешением термограммы не менее 320 х 240. С помощью шарнирного крепления объектив инфракрасной видеокамеры направляется перпендикулярно поверхности объекта контроля. При остывании средняя температура диагностического сигнала от недоотвержденного полимерного связующего составит ≈ 32°С при средней температуре базальтопластика ≈ 31,4°С. Анализ полученных результатов осуществляется с помощью специального программного обеспечения путем построения гистограмм распределения температур в заданных контурах или по линиям термограмм.

Устройство для инфракрасной термографии полимерных композиционных материалов в среде магнитного поля, содержащее раму для крепления объекта контроля с размещенными на ней штативом с инфракрасной видеокамерой и направляющими, на которых установлены, с возможностью обеспечения продольного перемещения, планки с электромагнитами, причем электромагниты расположены на планках напротив друг друга по обе стороны рамы с возможностью перемещения вдоль рамы, а также по направлению друг к другу и в обратном направлении, а инфракрасная видеокамера посредством шарнирного соединения установлена на поперечной штанге штатива, которая выполнена с возможностью перемещения в вертикальном направлении для обеспечения оптимального фокусного расстояния для регистрации теплового диагностического сигнала от объекта контроля.

Изобретение относится к технике наземных испытаний элементов летательных аппаратов (ЭЛА), а именно к средствам воспроизведения аэродинамического теплового воздействия на ЭЛА в наземных условиях. Предложен способ тепловых испытаний элементов летательных аппаратов, который включает нагрев наружной поверхности элементов ЛА, измерение температуры и обдув нагреваемой поверхности газовым потоком вдоль наружной поверхности изделия в сторону носка и в сторону торца элементов летательных аппаратов.

Способ неразрушающей диагностики дефектов сквозного металлизированного отверстия печатной платы // 2761863

Изобретение относится к средствам неразрушающего контроля качества сквозных металлизированных отверстий (СМО) печатных плат (ПП). Технический результат - повышение достоверности выявления дефектов и в обеспечение возможности их идентификации.

Неинтрузивная диагностика стенок трубопровода // 2759778

Изобретение относится к области измерительной техники. Заявлена система (200) диагностики трубопровода, которая включает в себя капсулу (206) датчика, измерительную (228) цепь и контроллер (222).

Установка для газодинамических испытаний // 2758412

Изобретение относится к области промышленной аэротермодинамики и может быть использовано для исследований аэротермомеханической стойкости материалов и элементов конструкций авиационной и ракетной техники на воздействие высокоэнтальпийных скоростных газовых потоков. Установка содержит как минимум одну камеру сгорания с аэродинамическим соплом, снабженную системой зажигания, систему подачи топлива, подключенную к первому вводу камеры сгорания и включающую, источник топлива, топливную магистраль, первый управляемый клапан, регулятор расхода топлива, первое расходомерное устройство, снабженное соплом, систему подачи кислорода, подключенную к второму вводу камеры сгорания и включающую источник кислорода, кислородную магистраль, регулятор расхода кислорода, второй управляемый клапан, второе расходомерное устройство, снабженное соплом, систему подачи нейтрального газа, включающую магистраль нейтрального газа, источник нейтрального газа, выход которого подключен к входу регулятора давления нейтрального газа, выход которого соединен с параллельно установленными третьим и четвертым управляемыми клапанами, датчики давления, входы первых из которых подключены к полостям расходомерных устройств перед, входы вторых - после установленных в них сопел, блок управления и регистрации, подключенный к соответствующим входам управляемых клапанов, соответствующему входу системы зажигания и выходам датчиков давления.

Способ разрушения материального твердого тела при локальном высокоинтенсивном тепловом воздействии на его поверхность // 2756998

Изобретение относится к области разрушения материального твердого тела (МТТ) как минимум двумя источниками локального высокоинтенсивного теплового воздействия (ЛВТВ), формирующими область воздействия, состоящую из фигур, выбранных из группы: круг, эллипс, овал, исходя из условий достижения максимального коэффициента концентрации термоупругих напряжений, обусловленных интерференцией волн упругости в данной области, и направлено на обеспечение эффективных режимов источников ЛВТВ на поверхность МТТ для его разрушения, в том числе технических устройств (ТУ), за счет снижения предела прочности материала твердого тела, или снижения несущей способности конструкции технических устройств, выполненных из металлов, сплавов, композиционных материалов, а также оптических и оптико-электронных устройств.

Способ разрушения материального твердого тела при локальном высокоинтенсивном тепловом воздействии на его поверхность // 2756936

Изобретение относится к области разрушения материального твердого тела (МТТ) как минимум двумя источниками локального высокоинтенсивного теплового воздействия (ЛВТВ), формирующими область воздействия, состоящую из фигур, выбранных из группы: кольцо, рамка, исходя из условий достижения максимального коэффициента концентрации термоупругих напряжений, обусловленных интерференцией волн упругости в данной области, и направлена на обеспечение эффективных режимов источников ЛВТВ на поверхность МТТ для его разрушения, в том числе технических устройств (ТУ), за счет снижения предела прочности материала твердого тела или снижения несущей способности конструкции технических устройств, выполненных из металлов, сплавов, композиционных материалов, а также оптических и оптико-электронных устройств.

Способ разрушения материального твердого тела при локальном высокоинтенсивном тепловом воздействии на его поверхность // 2756935

Изобретение относится к области разрушения материального твердого тела (МТТ), как минимум, двумя источниками локального высокоинтенсивного теплового воздействия (ЛВТВ), формирующих область воздействия, состоящей из фигур, выбранных из группы: прямоугольник, треугольник, щель, исходя из условий достижения максимального коэффициента концентрации термоупругих напряжений, обусловленных интерференцией волн упругости в данной области, и направлена на обеспечение эффективных режимов источников ЛВТВ на поверхность МТТ для его разрушения, в том числе технических устройств (ТУ), за счет снижения предела прочности материала твердого тела или снижения несущей способности конструкции технических устройств, выполненных из металлов, сплавов, композиционных материалов, а также оптических и оптико-электронных устройств.

Способ изготовления эталонного образца из пластмассы, армированной волокном, и способ испытания // 2756583

Использование: для изготовления эталонного образца (30) из пластмассы, армированной волокном (ПАВ), для моделирования пористости (14) слоя для неразрушающего испытания конструктивных элементов из ПАВ. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют следующие этапы, на которых: i) изготавливают первую часть посредством: а) размещения первого слоя ПАВ с выемкой; b) размещения по меньшей мере одного второго слоя ПАВ на первом слое ПАВ; с) предварительного отверждения структуры из первого и второго слоев из ПАВ для получения первой части; ii) изготавливают вторую часть посредством: а) размещения дополнительных слоев ПАВ; b) предварительного отверждения структуры из дополнительных слоев ПАВ для получения второй части; iii) соединяют первую часть со второй частью, причем выемка на первой части обращена ко второй части; и iv) отверждают структуру из первой части и второй части, причем на выемке в первом слое ПАВ образуется пористость слоя.

Способ изготовления эталонного образца из волоконно-пластмассового композита и способ испытания // 2756488

Использование: для изготовления эталонного образца из волоконно-пластмассового композита (ВПК) для имитации расслоения для неразрушающего испытания конструктивных элементов из ВПК. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют следующие этапы, на которых: i.

Устройство температурно-вакуумного воздействия // 2756337

Изобретение относится к оборудованию для проведения испытаний и измерений технических характеристик электронной компонентной базы (ЭКБ). Устройство температурно-вакуумного воздействия для проведения испытаний и измерений технических характеристик электронной компонентой базы содержит несущую герметизированную платформу с заведенными внутрь через герметичный разъем измерительными каналами, заканчивающимися пого-пинами, представляющими собой интерфейс для подключения испытываемых образцов; термогруппу, предназначенную для нагрева и охлаждения испытываемых образцов и содержащую элемент Пельтье и контактную поверхность, обеспечивающую теплообмен элемента Пельтье и испытываемых образцов; систему воздушного охлаждения, предназначенную для поглощения тепла, вырабатываемого элементами Пельтье, в составе теплосъемника, водяного насоса, проточного радиатора воздушного охлаждения с вентиляторами и соединительных шлангов; подъемный колпак, с возможностью открытия, размещения и подключения испытываемого образца; вакуумную систему в составе вакуумного насоса, соленоида коммутации, электронного вакуумметра и соединительных трубок; электронные блоки управления, коммутации и связи с внешним ЭВМ; источники питания и ПИД-регулятор; внешний защитный корпус.

Способ выявления стадии восстановления растительных покровов посредством анализа температурных аномалий на спутниковой съемке подстилающей поверхности в тепловом ик диапазоне спектра // 2754968

Изобретение относится к экологии и дистанционному зондированию, а именно к способу выявления стадии восстановления растительных покровов на участках после природных, антропогенных или техногенных воздействий посредством анализа температурных аномалий подстилающей поверхности на основе данных спутниковой съемки в тепловом ИК диапазоне спектра в целях экологического контроля.