УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ВНУТРЕННИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТЕЛ Российский патент 2006 года по МПК G01B11/30 G02B23/24 

Изобретение относится к неразрушающему контролю, а более конкретно к устройствам визуального и измерительного контроля внутренней поверхности сварных труб, корпусов ракет и двигателей, сосудов высокого давления и т.п. объектов.

Известно устройство для контроля внутренней поверхности тел, содержащее цилиндрический корпус и последовательно установленные внутри него вдоль его продольной оси осветительную систему с электрической лампой и тороидальной линзой, систему наблюдения, состоящую из конического зеркала кольцевого обзора, объектива, световода, масштабной сетки и окуляра [1].

Недостатком данного устройства является невозможность наблюдения увеличенных изображений дефектов, что снижает дефектоскопическую чувствительность устройства и точность измерения размеров дефектов.

Действительно, при использовании в устройстве окуляров с большим увеличением одновременно с увеличением размера изображения дефекта происходит идентичное увеличение масштабной сетки и число ее делений, приходящееся на изображение дефекта, остается постоянным, т.к. выходной торец световода и сетка находятся в одной плоскости.

Кроме того, при использовании окуляров повышенного увеличения с фокусным расстоянием, меньшим, чем у использованного в устройстве, поле зрения которого практически равно диаметру световода, изображение кольцевого светового сечения, размер которого также практически равен диаметру торца световода, может оказаться вне пределов поля зрения оптической системы устройства.

Цель изобретения - устранение этих недостатков.

Для этого в устройство, содержащее цилиндрический корпус с последовательно расположенными вдоль его продольной оси осветительной системой, состоящей из электрической лампы и тороидальной линзы, системой наблюдения, состоящей из конического зеркала кольцевого обзора, объектива, световода, масштабной сетки и окуляра, дополнительно введены второй объектив, расположенный перед выходным торцом световода на оптической оси, проведенной через центр этого торца перпендикулярно к нему и формирующей его изображение в плоскости масштабной сетки, находящейся в фокальной плоскости окуляра, оптическая ось которого совпадает с осью второго объектива, микрообъектив, расположенный на оптической оси, параллельной оси окуляра и второго объектива и удаленной от нее на расстояние A≥1/2(D_М+d), где d и D_M - диаметры торца световода и микрообъектива соответственно, при этом второй объектив и микрообъектив установлены с возможностью взаимного перемещения для последовательной установки на оптическую ось окуляра, микрообъектив фокусируется на выходной торец световода и строит увеличенное изображение фрагментов светового сечения в плоскости масштабной сетки, второй объектив, масштабная сетка, окуляр и микрообъектив конструктивно объединены в одном блоке, установленном на выходной части световода с возможностью перемещения в двух ортогональных направлениях относительно его выходного торца в плоскости, совпадающей с плоскостью этого торца, в пределах ±d/2 с помощью сканирующего устройства, установленного на выходной части световода.

Схема устройства показана на фиг.1.

Устройство содержит полый цилиндрический корпус 1, в котором вдоль его продольной оси последовательно установлены электрическая лампа 2, тороидальная линза 3, коническое зеркало кольцевого обзора 4, объектив 5 и регулярный световод 6, двухкоординарное сканирующее устройство 7, второй объектив 8, масштабная сетка 9, окуляр 10 и микрообъектив 11. Второй объектив 8, сетка 9, окуляр 10, микрообъектив 11 и сканирующее устройство 11 конструктивно объединены в едином окулярном блоке, закрепленном на сканере, закрепленном на выходной части световода 6. Микрообъектив 11 расположен на оптической оси, параллельной оси второго объектива 6 к удаленной от нее на расстояние

где D_M и d - диаметры выходного торца световода и микрообъектива соответственно, что необходимо для устранения взаимного экранирования микрообъектива и второго объектива.

Микрообъектив 11 и второй объектив 8 установлены с возможностью взаимного перемещения для последовательной установки на оптической оси, проходящей через центры масштабной сетки 9 и окуляра 10 и перпендикулярной выходному торцу световода 6. Механизм перемещения на схеме не показан в силу общеизвестности конструктивного пополнения подобных узлов [2]. Второй объектив 8 проектирует изображение с выходного торца световода в плоскость масштабной сетки 9 с масштабом М₁, а микрообъектив проектирует это изображение в плоскость сетки с масштабом М₂. Масштабная сетка с ценой деления установлена с возможностью вращения относительно оптической оси окуляра для обеспечения возможности измерения размера дефектов в любом радиальном направлении. С помощью сканирующего устройства 7 окулярный блок 12 перемещается в двух взаимноортогональных направлениях в плоскости, совпадающей с плоскостью выходного торца световода 6. При этом оптическая ось окуляра 10, проходящая через центр масштабной сетки 9 перпендикулярно выходному торцу световода 6, совпадает с оптической осью второго объектива 8 или микрообъектива 10 в зависимости от того, какой из этих оптических блоков используется в данный момент, и последовательно совмещается с различными участками выходного торца световода 6.

Устройство работает следующим образом.

Тороидальная линза 3 формирует на внутренней поверхности объекта изображение точечного тела накала электрической лампы 2 в виде узкого светящегося кольца.

Объектив 5 с помощью конического зеркала кольцевого обзора 4 формирует изображение этого кольца, т.е. световое сечение отображающего профиль объекта в данном сечении, на входном торце световода 6. При этом масштаб этого изображения, определяемый фокусным расстоянием объектива 5 и расстоянием от него до формируемого тороидальной линзой на внутренней поверхности светящегося кольца, выбирается из соотношения М₀≤d/D, где d - диаметр входного торца световода, D - диаметр объекта в заданном сечении с тем, чтобы размер светового сечения и диаметр световода были примерно равными для обеспечения масштабной информативности контроля. В результате изображение на выходном торце регулярного световода 6 идентично изображению на его входном торце.

Это изображение вторым объективом 8 или устанавливаемым вместо него микрообъективом 11 проектируется в плоскость масштабной сетки 9 с увеличениями соответственно М₁ и М₂ и наблюдается в окуляр 10.

Контроль производится в два этапа.

На первом этапе на оптической оси окуляра устанавливается второй объектив 8 и с помощью сканирующего устройства 7 эта оптическая ось совмещается с центром изображения светящегося кольца на выходном торце световода 6 (фиг.2, а). Затем оператор перемещает корпус устройства 1 вдоль продольной оси контролируемого объекта, наблюдая изображение светового сечения. При этом корпус 1 центрируется внутри объекта с помощью стандартной системы прижимных роликов (на схеме не показаны в силу общеизвестности конструкции). При обнаружении на световом сечении локальных изменений, вызванных наличием дефектов типа рисок, раковин, загрязнений и т.п., оператор с помощью сканирующего устройства 7 совмещает центр изображения дефекта с центром поля зрения окуляра (фиг.2, б).

Затем вместо второго объектива 8 на оптической оси окуляра устанавливают микрообъектив 1, наблюдают увеличенное изображение дефекта и производят его измерение в нужном радиальном направлении, вращая сетку 9 (фиг.2, в). На фиг.3, а, б и в представлены изображения поля зрения окуляра для случаев установки фиг.2а, б и в соответственно.

Увеличение второго объектива выбирается равным М₁=d_c/d с тем, чтобы изображение выходного торца световода полностью вписалось в сетку диаметром d_с. Увеличение микрообъектива выбирается из соотношения M₂=d_c/H_max, где H_max - максимальная величина дефекта. Рассмотрим пример практической реализации устройства.

Стандартные масштабные сетки, например, сетка луны измерительной ЛИЗ-10, С₀=0,1 имеют диаметр d_c=15 мм и цену деления.

Диаметр световода d=10 мм для большинства реальных задач. При этом М₁≈1,5^Х. Н_max обычно равно 1,0 мм. При этом М₂=d_c/H_max≅15^Х. Из конструктивных соображений, чтобы не увеличивать габариты окулярного блока, фокусное расстояние объектива 8 выбирают f₂≈15-20 мм. Например, при f₂=20 мм расстояние L₀ от выходного торца световода 6 до масштабной сетки 9 будет равно, согласно известной формуле [2]

L=2f+f(M₁+1/M₂) или L=f(2+M₁+¹/M₂)≈82 мм.

При этом фокусное расстояние микрообъектива определяется из этой же формулы следующим образом.

Цена деления сетки в пространстве объектов (в плоскости светового сечения) составит соответственно для второго объектива

а для микрообъектива

Для характерного размера объекта D≈1D₀ мм

М₀=10^Х, то С₁=0,1·10·0,6≅0,6 мм,

C₂=0,1·10·1/15=0,06 мм.

Таким образом, предлагаемая оптическая схема устройства позволяет повысить точность измерения по крайней мере в десять раз.

Понятно, что она может быть увеличена за счет увеличения диаметра масштабной сетки или диаметра световода. Разрешающая способность объектива и микрообъектива может быть и более чем в 10 раз увеличена.

ЛИТЕРАТУРА

1. Патент РФ №1214259.

2. Справочник конструктора оптико-механических приборов, Л., под ред. Кругера, Машиностроение, 680 с, 1989 г.

Устройство содержит цилиндрический корпус с последовательно расположенными осветительной системой, состоящей из электрической лампы и тороидальной линзы, системой наблюдения, состоящей из конического зеркала кольцевого обзора, объектива, световода, масштабной сетки и окуляра. Дополнительно введены второй объектив, расположенный перед входным торцом световода и формирующий его изображение в плоскости масштабной сетки, находящейся в фокальной плоскости окуляра, оптическая ось которого совпадает с осью второго объектива, микрообъектив, расположенный на оптической оси, параллельной оси окуляра и второго объектива. Второй объектив и микрообъектив установлены с возможностью взаимного перемещения для последовательной установки на оптическую ось окуляра, микрообъектив фокусируется на выходной торец световода и строит изображение фрагментов светового сечения в плоскости масштабной сетки, второй объектив, масштабная сетка, окуляр и микрообъектив конструктивно объединены в одном блоке, установленном на выходной части световода с возможностью перемещения в двух ортогональных направлениях. Технический результат - повышение чувствительности устройства и точности измерения размеров дефектов. 3 ил.

Устройство для контроля поверхности тел, содержащее полый цилиндрический корпус, внутри которого вдоль его продольной оси установлены осветительная система, состоящая из электрической лампы и тороидальной линзы, система наблюдения, состоящая из конического зеркала, кольцевого объектива и световода, отличающееся тем, что перед масштабной сеткой, расположенной перед окуляром в его фокальной плоскости, на оптической оси окуляра, расположенной перпендикулярно выходному торцу световода, между выходным торцом световода и масштабной сеткой дополнительно последовательно вводятся второй объектив или микрообъектив, проектирующий изображение на выходном торце световода в плоскость масштабной сетки с увеличениями соответственно M₁=D_c/d и^{М₂=D_с/Н_max, где D_с - диаметр сетки, d - диаметр выходного торца световода, Н_max - максимальная величина дефекта, второй объектив, микрообъектив, масштабная сетка и окуляр конструктивно объединены в едином конструктивном блоке, перемещаемом с помощью сканирующего устройства, установленного на выходной части световода в двух ортогональных направлениях в плоскости, совпадающей с плоскостью выходного торца световода, при этом оптическая ось микрообъектива параллельна оптической оси второго объектива и удалена от нее на расстояние A≥1/2(D_М+d), где D_М - диаметр микрообъектива.}