Патент на изобретение №2284515

(54) СПОСОБ ТЕПЛОВИЗИОННОГО КОНТРОЛЯ ВОДЫ В АВИАЦИОННЫХ СОТОВЫХ ПАНЕЛЯХ ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ САМОЛЕТОВ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области неразрушающего контроля. Способ включает получение термограмм участков конструкций самолета, определение площади дефектных зон с использованием маркера известных размеров, определение средней высоты столбика воды с использованием ультразвукового устройства и вычисление количества воды в дефектных зонах. Технический результат – повышение качества контроля эксплуатируемых самолетов. 2 ил.

Изобретение относится к неразрушающему контролю и технической диагностике и может быть использовано для обследования эксплуатируемых самолетов, на которых установлены сотовые панели, в особенности выполненные из композиционных материалов.

Известен способ ультразвукового (УЗ) контроля массы воды в сотовых авиационных конструкциях, который применяется на практике в российских аэропортах. Данный способ основан на определении высоты столбика воды, при этом используется установка для УЗ контроля воды в сотовых конструкциях УКВС-1, разработанная в научном центре поддержания летной годности воздушных судов (НЦ ПЛГВС) ГосНИИ гражданской авиации [1]. Данный способ позволяет определять высоту столбика воды в отдельных точках контролируемой панели, значение которой используют для оценки массы воды в соответствующих ячейках сот.

Недостатками УЗ способа являются: 1) контактный характер; 2) низкая производительность испытаний; 3) невозможность обследования вертикально ориентированных панелей, а также трудность крепления датчика снизу панели вследствие необходимости применять иммерсионную жидкость; 4) низкие технологические показатели способа (необходимость работы на высоте, в условиях мороза, ветра и т.п.); 5) желательно наличие предварительной информации о расположении зон с водой.

Известен способ тепловизионного контроля, который предусматривает регистрацию температурных полей на поверхности объекта контроля с помощью инфракрасного (ИК) тепловизора с последующей отбраковкой изделий и систем по аномалиям поверхностных температурных распределений [2]. При этом указанные аномалии возникают либо в процессе изготовления или функционирования объекта диагностики либо их создают искусственно путем дополнительной тепловой стимуляции объекта контроля (с помощью нагрева или охлаждения). Наиболее близким к предлагаемому изобретению является тепловизионный метод обнаружения воды в авиационных сотовых панелях, предусматривающий регистрацию распределения температуры на поверхности сотовых панелей с помощью инфракрасного тепловизора, описанный в нормативных документах по эксплуатации некоторых типов самолетов компаний «Боинг» и «Эйрбас Индастриз» [3, 4], а также в статье авторов предлагаемого изобретения [5]. Метод контроля, принятый вышеуказанными фирмами, требует искусственного создания режима нестационарного нагрева объекта контроля, в ходе которого скрытая в сотах вода в силу ее высокой теплоемкости наблюдается на поверхности объекта контроля в виде тепловой аномалии с температурой ниже, чем температура окружающих участков. Нагрев объекта контроля (авиационной панели) можно производить как на эксплуатируемом самолете с помощью контактного «теплового одеяла» (методика фирмы «Эйрбас Индастриз» [3]), так и в условиях ангара на снятых панелях с помощью источников нагрева различного типа, например оптических (методика фирмы «Боинг» [4]). Как следует из опыта авторов предлагаемого изобретения, режим нестационарного теплообмена создается естественным образом при посадке самолета вследствие значительной разницы температур на высоте крейсерского полета (-50…-60°С) и на поверхности земли (-30…+30°С). При этом вода в виде льда, находящаяся в ячейках сотовых панелей, видна в течение некоторого времени после посадки самолета в виде «холодных» аномалий поверхностной температуры. Длительность периода времени, в течение которого вода (лед) обнаруживается тепловизионным методом, зависит от разницы указанных температур, массы воды и материала, из которого изготовлена сотовая панель. Установлено, что вода массой до нескольких десятков грамм обнаруживается в композиционных панелях в течение 2-5 часов после посадки (самолеты Ту-204, Як-42), в то время как в алюминиевых сотовых панелях этот период оптимального наблюдения сокращается до 1 часа (самолет Ил-96).

Иллюстрация вышеуказанных способов контроля воды в сотовых панелях приведена в Приложении 1.

Вышеуказанный способ тепловизионного контроля воды в сотовых панелях самолетов, описанный в [5], выбран в качестве прототипа. По сравнению с УЗ контролем данный метод: 1) обладает высокой производительностью и позволяет формировать изображения объекта контроля; 2) является бесконтактным, всепогодным и более пригоден для обследования наклонных и вертикальных поверхностей. Недостатком тепловизионного способа обнаружения воды является его качественный характер, то есть невозможность оценки массы воды, находящейся внутри сотовой панели.

Необходимость оценки массы воды, запасенной в сотовых панелях эксплуатируемых самолетов, обусловлена тем фактом, что в настоящее время технологически нецелесообразно и невозможно удалить всю воду из конкретного самолета, поэтому необходимо применять соответствующий критерий отбраковки по массе воды в отдельных участках. В нормативных документах, принятых в отечественной авиации, отсутствует критерий отбраковки по массе воды, однако в практике российских авиакомпаний пороговым значением является полное заполнение водой 10 сотовых ячеек. Оценка массы воды по площади, занимаемой участками с водой на ИК термограммах, может приводить к значительным ошибкам, поскольку сотовые конструкции имеют различную толщину, и вода может заполнять ячейки сот неполностью.

Целью изобретения является повышение достоверности контроля воды в сотовых панелях эксплуатируемых самолетов путем определения массы воды.

Поставленная цель достигается тем, что в способе тепловизионного контроля воды в авиационных сотовых панелях эксплуатируемых самолетов путем регистрации распределения температуры на поверхности сотовых панелей с помощью ИК тепловизора на поверхность панели в поле зрения тепловизора размещают маркер известных размеров, обладающий высоким контрастом в области спектральной чувствительности тепловизора, с помощью маркера определяют площадь температурной аномалии, обусловленной наличием воды в сотах, определяют среднюю толщину слоя воды в ячейках сот, в частности, с помощью УЗ устройства, а массу воды оценивают как произведение площади температурной аномалии на среднюю толщину слоя воды и плотность воды. По сравнению с прототипом предлагаемый способ позволяет определить количественные характеристики дефектных участков, а именно оценить массу скрытой в сотах воды путем введения дополнительной физической операции – измерения высоты столбика воды в отдельных точках – с последующим использованием полученного значения высоты столбика воды для расчета массы воды в идентифицированных дефектных зонах с использованием растрового характера тепловизионного изображения. Таким образом, комбинирование двух способов контроля – тепловизионного и ультразвукового – позволяет преодолеть характерные недостатки каждого способа и обеспечить повышение достоверности контроля воды в сотах.

Схема осуществления способа изображена на фиг.1, 2 и включает: 1 – ИК тепловизор, 2 – маркер известных размеров, 3 – УЗ толщиномер, 4 – сотовая панель (конструкция), 5 – ИК термограмма, 6 – бинарная карта дефектов.

Способ осуществляется следующим образом. Для обследования самолета выбирают определенный период времени после его посадки, обычно в течение 0,5-1 часов после посадки. Для более точного определения целесообразного периода контроля можно использовать программы расчета температурных полей сотовых панелей 4 с учетом фазового превращения лед – вода, например программу «Мультилейер-1Д» Томского НИИ интроскопии.

С помощью ИК тепловизора 1 производят регистрацию распределения температуры на поверхности сотовых панелей 4 самолета: на закрылках, элеронах, элементах фюзеляжа, рулях высоты и направления. Типичными объектами съемки являются самолеты российского производства Ту-204, Як-42, Ил-86, Ил-96, а также самолеты производства фирм «Боинг» и «Эйрбас Индастриз». В качестве ИК тепловизоров 1 могут быть использованы различные модели зарубежного («Термовижн-570», «ТермаКам-Р60», «ТермаКам-Е2», ТН-7102 и др.) и отечественного («ИРТИС-2000») производства.

При регистрации каждой ИК термограммы 5 на поверхность панели закрепляют маркер известного размера 2, который обладает высоким контрастом в ИК диапазоне; например маркером может служить полоска алюминиевой фольги, прикладываемая к поверхности сотовой конструкции 4 или закрепляемая на ней (фиг.1, 2). В некоторых случаях роль маркера 2 может выполнять элемент конструкции самолета с известными размерами, хорошо различаемый оператором на термограмме 5.

Результаты тепловизионной съемки записывают в цифровом виде на флэш-карту или непосредственно на жесткий диск компьютера типа «лэп-топ». Одновременно с тепловизионной съемкой выполняют кино- или фотографическую (цифровую) съемку для более надежной идентификации объектов съемки.

В ходе тепловизионного обследования отмечают обнаруженные участки с водой непосредственно на панели с помощью карандаша или цветного фломастера. Затем в одной или нескольких точках каждого участка с водой производят измерение средней толщины водяного слоя d (фиг.1). С этой целью рекомендуется применять УЗ толщиномер 3, например УКВС-1. УЗ толщиномер 3 позволяет отстроиться от толщины обшивки и произвести измерение толщины водяного столбика по двум отраженным УЗ импульсам: от поверхности контакта воды с обшивкой и от верхней границы водяного столбика (фиг.1). По данным ГосНИИ гражданской авиации, минимальная определяемая толщина водяного слоя таким способом обычно составляет около 2 мм, хотя пороговая величина составляет около 0,5 мм.

Обработку записанных результатов выполняют в лабораторных условиях. Обработка сводится к стандартным в ИК термографии приемам выравнивания гистограмм (температурных интервалов) и «склеиванию» ИК термограмм 5 (фиг.2). Подготовленную таким образом панорамную ИК термограмму 5 преобразуют в бинарную карту дефектов 6, причем в качестве порога бинаризации выбирают амплитудное значение, расположенное между двумя пиками гистограммы температуры исследуемой поверхности, из которых один пик соответствует бездефектному распределению, а второй – дефектному распределению температуры.

На бинарной карте дефектов 6 определяют площадь S, занимаемую водой сначала, в пиксельном выражении, а затем используя размер маркера – в абсолютных единицах. Оценку массы воды М производят по соотношению M=Sd, где – плотность воды.

Таким образом, при использовании данного способа значительно повышается качество контроля воды в сотовых авиационных конструкциях путем определения не только местоположения дефектных зон, но и количества воды в сотовых конструкциях.

Следует отметить тот факт, что тепловизионной метод значительно превосходит УЗ по производительности, так, например, полный осмотр всех сотовых конструкций самолета может быть проведен за один-два часа, в то время как УЗ способом за это время можно проконтролировать один элерон.

Указанный алгоритм, а также процедуры формирования панорамных ИК термограмм 5 и бинарных карт дефектов 6 реализованы в компьютерной программе «Термомозаик» Томского НИИ интроскопии.

Использованная информация

1. Агеев В.П. Неразрушающий контроль. – Авиатранспортное обозрение, №49, стр.57.

2. Вавилов В.П. Тепловой контроль. Спр. «Неразрушающий контроль», том 7,2004, М.: Машиностроение, стр.9-361.

3. А 318/А 319/А 320/А 321 Nondestructive testing manual (Airbus Industries), Part 1 – General.

4. BOEING 777 Nondestructive testing manual. Part 9 – Thermography.

5. Вавилов В.П., Нестерук Д.А. Особенности применения теплового метода неразрушающего контроля для обнаружения и оценки массы воды в сотовых панелях авиационной техники. – Известия ТПУ N6, том 307, 2004.

Формула изобретения

Способ тепловизионного контроля воды в авиационных сотовых панелях эксплуатируемых самолетов путем регистрации распределения температуры на поверхности сотовых панелей с помощью инфракрасного тепловизора, отличающийся тем, что на поверхность панели в поле зрения тепловизора размещают маркер известных размеров, обладающий высоким контрастом в области спектральной чувствительности тепловизора, с помощью маркера определяют площадь температурной аномалии, обусловленной наличием воды в сотах, определяют среднюю толщину слоя воды в ячейках сот, в частности, с помощью ультразвукового устройства, а массу воды оценивают как произведение площади температурной аномалии на среднюю толщину слоя воды и плотность воды.

РИСУНКИ