Спосіб визначення ступеня пошкодження поверхні металу пітинговою корозією

Реферат: Спосіб визначення ступеня пошкодження поверхні металу пітинговою корозією та залежності цього ступеня пошкодження поверхні від часу корозії, що передбачає отримання оптичного зображення поверхні металу до початку, під час чи після завершення процесу корозії і обробку цих зображень, причому поверхню металу освітлюють випромінюванням, максимальна довжина хвилі якого не перевищує середню висоту випадкових мікронерівностей поверхні; фазовий кут між напрямком, з якого здійснюють освітлення поверхні, та напрямком з якого здійснюють зйомку поверхні, встановлюють таким, щоб частка багатократно розсіяного на нерівностях поверхні випромінювання була максимальною у складі випромінювання, що розсіюється у напрямку, з якого здійснюють зйомку поверхні; величину кута поля зору системи отримання зображень поверхні встановлюють такою, щоб забезпечити максимальну рівномірність сигналу на зображенні; ступінь пошкодження шорсткої поверхні металу пітинговою корозією та залежності цього ступеня пошкодження поверхні від часу корозії визначають на основі величини нормованого коефіцієнта кореляції між зображенням, отриманим до початку процесу корозії та у інші моменти часу під час процесу корозії чи після його завершення. UA 108864 U про видачу патенту: UA 108864 U UA 108864 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Спосіб визначення ступеня пошкодження шорсткої поверхні металу пітинговою корозією належить до галузі дослідження матеріалів з використанням оптичних засобів і може бути застосований для дистанційного визначення ступеня пошкодження поверхні металів пітинговою корозією та моніторингу змін ступеня пошкодження поверхні у часі. Відомий спосіб та пристрій для виявлення поверхневих пітів, що передбачає освітлення поверхні вздовж двох ортогональних осей неполяризованим, або Р чи S поляризованим випромінюванням, отримання сигналів від поверхні у напрямку дзеркального відбивання та у напрямку розсіювання випромінювання і обробку цих сигналів з метою виявлення пітів [1]. Суть способу полягає у використанні для виявлення пітів явища розсіювання світла на заглибленнях поверхні, зумовлених пітами. Спосіб передбачає визначення середнього чи медіанного рівня отриманих сигналів та віднімання цих середніх чи медіанних рівнів від отриманих сигналів з метою компенсації шумів та використання отриманих сигналів, їх середніх та медіанних значень для виявленні пітів, порівняння сигналів з компенсованим шумом з певним пороговим рівнем, що задається постійним, динамічним або залежним від величини медіани. Суттєвим недоліком описаного способу є недостатня точність та достовірність при виявленні пітингового корозійного пошкодження оптично шорсткої поверхні металу, оскільки на шорсткій поверхні світло розсіюватиметься не лише пітами, але й усіма мікронерівностями поверхні, а сигнали у напрямку дзеркального відбивання і у вибраному напрямку розсіювання світла для оптично шорсткої поверхні є співмірними. Зареєстровані сигнали міститимуть змішані дзеркальну та розсіяну складові, що залежатимуть від мікрорельєфу поверхні, стану поляризації, фазових кутів між напрямком освітлення та вибраним напрямком розсіювання світла. При цьому сигнал, розсіяний пітами, буде співмірним з сигналом, розсіяним на мікронерівностях рельєфу поверхні, а контраст цих сигналів буде малим, що погіршить достовірність виявлення пітів та точність визначення їх розмірів. Крім того, застосування цього способу призведе до помилкової ідентифікації ділянок поверхні з локальними відхиленнями імовірнісних характеристик рельєфу від середніх значень для даної поверхні як корозійних пітів. Недоліком способу також є складність його практичної реалізації, через потребу двох незалежних систем освітлення та отримання сигналів від поверхні зразка, а також необхідністю забезпечити сканування поверхні зразка з використанням двох систем. Найбільш близьким технічним рішенням є спосіб та пристрій для оптичного вимірювання корозії, що передбачає отримання зображень поверхні зразка до початку корозії та після його експонування у корозійному середовищі, визначення середнього рівня сірого на зображенні до початку корозії, визначення мінімального і максимального порогів яскравостей на зображенні, що відповідають корозійним пітам [2]. На основі порогів яскравостей виявляють області, зайняті пітами, визначають площу кожного піта, сумарну площу всіх виявлених пітів та ступінь пошкодження поверхні пітинговою корозією. Суттєвим недоліком способу прототипу є недостатня точність та достовірність при визначенні ступеня пошкодження оптично шорсткої поверхні пітинговою корозією, яка полягає в тому, що унаслідок розсіювання світла оптично шорсткою поверхнею на зображеннях поверхні присутній значний шумовий спекл-сигнал, а у результаті їх порогового обмеження додатково проявляється багато областей, котрі не є областями пітингу, що суттєво знижує достовірність виявлення пітів. Також виникає суттєве спотворення контурів областей корозійних пітів зумовлене присутністю спекл-шуму, що призводить до підвищення похибок визначення площі цих областей. В основу поставлено задачу створення способу визначення ступеня пошкодження поверхні металу пітинговою корозією за допомогою реєстрації оптичного зображення поверхні металу до початку корозії та одного чи більше оптичних зображень поверхні металу під час процесу корозії чи після його завершення, освітлюючи поверхню металу випромінюванням, максимальна довжина хвилі якого менша за середню висоту мікронерівностей поверхні металу, встановлюючи фазовий кут між напрямком, з якого здійснюють освітлення поверхні металу, та напрямком, з якого здійснюють зйомку поверхні так, щоб доля багатократно розсіяного на нерівностях поверхні випромінювання була максимальною у складі випромінювання, що розсіюється у напрямку, з якого здійснюють зйомку поверхні, встановлюють величину кута поля зору системи отримання зображень поверхні такою, щоб забезпечити максимальну рівномірність сигналу на зображенні, визначають ступінь пошкодження поверхні на основі величини нормованого коефіцієнта кореляції між зображенням, отриманим до початку процесу корозії та у інші моменти часу під час процесу корозії чи після його завершення, що дасть можливість підвищити точність та достовірність визначення ступеня пошкодження оптично шорсткої поверхні металу. 1 UA 108864 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 У прототипу визначення ступеня пошкодження поверхні корозією основане на виявленні окремих областей, зайнятих пітами, визначенні меж цих областей та їх сумарної площі на основі обробки зображень досліджуваної поверхні. Визначення ступеня пошкодження поверхні металу пітинговою корозією проводять одночасно для усієї досліджуваної поверхні на основі величини нормованого коефіцієнта кореляції між зображеннями спекл-сигналу досліджуваної поверхні, отриманими до початку, під час або після завершення процесу корозії, для чого поверхню металу освітлюють випромінюванням, максимальна довжина хвилі якого не перевищує середню висоту мікронерівностей поверхні; фазовий кут між напрямком освітлення та напрямком зйомки поверхні встановлюють таким, щоб частка багатократно розсіяного на нерівностях поверхні випромінювання була максимальною у напрямку, з якого здійснюють зйомку поверхні; величину кута поля зору системи отримання зображень поверхні встановлюють такою, щоб забезпечити максимальну рівномірність сигналу на зображенні. Коефіцієнт кореляції сигналів є оптимальним, з точки зору мінімуму похибки, мірою лінійної схожості двох випадкових сигналів [3]. Використання коефіцієнта кореляції для визначення ступеня пошкодження поверхні пітинговою корозією забезпечує мінімальну похибку оцінювання змін спекл-сигналів від поверхні, що виникли унаслідок пітингового корозійного пошкодження та максимальну достовірність отриманих результатів. Спосіб визначення ступеня пошкодження поверхні металу пітинговою корозією реалізують наступним чином. Поверхню металу освітлюють випромінюванням, максимальна довжина хвилі якого не перевищує середньої висоти випадкових мікронерівностей поверхні, що призводить до того, що у розсіяному поверхнею сигналі присутня суттєва компонента багатократно розсіяного на мікронерівностях поверхні світла. Фазовий кут між напрямком, з якого здійснюють освітлення поверхні, та напрямком, з якого здійснюють зйомку, вибирають такий, щоб частка багатократно розсіяного на нерівностях поверхні випромінювання була максимальною у напрямку з якого здійснюють зйомку поверхні. Цим досягають отримання спекл-сигналу, котрий є результатом багатократного розсіювання електромагнітного випромінювання на випадково розміщених розсіювачах і є випадковою величиною. Величину кута поля зору системи отримання зображень поверхні встановлюють такою, щоб забезпечити максимальну рівномірність сигналу на зображенні, чим забезпечують підвищення рівномірності чутливості вимірювань по площі зображення. Таким чином отримують зображення, що є випадковими сигналами, параметри яких відповідають моделі спекл-сигналу. Ступінь пошкодження поверхні металу пітинговою корозією визначають на основі нормованого коефіцієнта кореляції між зображенням поверхні, отриманим до початку процесу корозії, та зображеннями, отриманими під час процесу корозії або після його завершення, чим забезпечують можливість дослідження оптично шорсткої поверхні металу, урахування пошкоджень малого розміру та підвищення достовірності і точності оцінки ступеня пошкодження поверхні завдяки тому, що усувається похибка виявлення окремих пітингових пошкоджень, похибка визначення їх меж та площ, а визначається загальний ступінь пошкодження усієї досліджуваної поверхні. Величину нормованого коефіцієнта кореляції зображень коригують, використовуючи зміни імовірнісних характеристик спекл-сигналу, що не пов'язані з пітами. Для цього на спекл-зображеннях виділяють одну чи декілька областей без видимих корозійних пітів з числом точок, достатнім для отримання достовірних оцінок імовірнісних характеристик спекл-сигналу, визначають імовірнісні та кореляційні характеристики спекл-сигналів зображень у межах цих областей та використовують їх для корекції величини визначеного нормованого коефіцієнта кореляції припускаючи, що визначені зміни імовірнісних характеристик сигналу справедливі для всього зображення з заданою величиною похибки достовірного визначення параметрів сигналів [4]. Спосіб реалізували наступним чином. Виготовили зразок корозійностійкої сталі, котра піддається пітинговій корозії, марки 08×18Н10 розмірами 10×10×10 мм з параметром шорсткості поверхні Ra=10 мкм та покрили герметиком 5 граней зразка, залишивши одну вільною. Зразок розташували в кюветі, заповненій 3,5 % водним розчином солі NaCl при температурі 33 °C. Поверхню вільної грані освітлювали випромінюванням з максимальною довжиною хвилі 0,63 мкм, отриманим від напівпровідникового світлодіода; встановлювали фазовий кут між напрямком освітлення поверхні металу та напрямком зйомки поверхні рівним 30°, щоб частка багатократно розсіяного на мікронерівностях поверхні випромінювання була максимальною у складі випромінювання, що розсіюється у напрямку зйомки поверхні. Кут падіння освітлюючого випромінювання був рівним 30° від нормалі до поверхні досліджуваного зразка, а кут спостереження рівним 0°. Встановлювали величину кута поля зору системи отримання зображень поверхні рівною 0,5°, використовуючи об'єктив Телеар-Н зі встановленою величиною відносного отвору 5,6, чим забезпечували максимальну рівномірність спекл-сигналу на 2 UA 108864 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 зображенні. Реєстрували кожних 2 секунди зображення спекл-сигналів від досліджуваної поверхні розміром 1280×1024 пікселів з динамічним діапазоном від 0 до 255 градацій до початку процесу корозії, протягом 1,5 годин під час процесу корозії та після його завершення цифровою відеокамерою Pixelink PL-A661 з записом на жорсткий диск персонального комп'ютера через інтерфейс IEEE 1394. На отриманих зображеннях виділяли круглу робочу область діаметром 750 пікселів, для якої необхідно визначити ступінь пошкодження поверхні пітинговою корозією і визначали нормований коефіцієнт кореляції у межах виділеної області між зображеннями спекл-сигналів, отриманими до початку, під час та після завершення процесу корозії. В зображення робочої області спекл-сигналу від поверхні, зареєстроване до початку процесу корозії, шляхом комп'ютерної обробки даних вносили рівномірно розміщені імітаційні сигнали від пітингових пошкоджень у вигляді наборів темних круглих плям різного діаметра з розрахунку перекривання відношення сумарної площі цих плям до площі виділеної області величини ступеня пошкодження поверхні пітингами від 0 до 50 % з кроком 5 %. Діапазон величини сигналів, котрим імітували пітингове пошкодження вибирали рівним 60 градацій. Отриманий таким чином набір зображень з імітацією наростаючої величини пошкодження поверхні пітинговою корозією використовували для визначення набору нормованих коефіцієнтів кореляції з зображенням без корозійних пошкоджень. Далі за допомогою програмного продукту MS Office Excel проводили інтерполяцію отриманої залежності нормованого коефіцієнта кореляції від ступеня пошкодження поверхні пітинговою корозією з 100 точками проміжних значень, що відповідало необхідній детальності визначення ступеня пошкодження поверхні пітами. Отримана таким чином залежність нормованого коефіцієнта кореляції від ступеня пошкодження поверхні пітинговою корозією є функцією перетворення вимірюючого перетворювача для системи визначення ступеня пошкодження поверхні. Визначили ступінь пошкодження поверхні сталі 08 × 18Н10 пітинговою корозією як добуток величини нормованого коефіцієнта кореляції зображень спекл-сигналів у межах робочої області на відповідне значення функції перетворення вимірюючого перетворювача. Виготовили зразок низьколегованої сталі, котра піддається корозії, марки 17Г1С розмірами 10×10×10 мм з параметром шорсткості поверхні Ra=20 мкм та покрили герметиком 5 граней зразка, залишивши одну вільною. Зразок розташували в кюветі, заповненій 3,5 % водним розчином солі NaCl при температурі 33 °C. Поверхню вільної грані освітлювали випромінюванням з максимальною довжиною хвилі 0,63 мкм, отриманим від напівпровідникового світлодіода; встановлювали фазовий кут між напрямком освітлення поверхні металу та напрямком зйомки поверхні рівним 30°, щоб доля багатократно розсіяного на мікронерівностях поверхні випромінювання була максимальною у складі випромінювання, що розсіюється у напрямку зйомки поверхні. Кут падіння освітлюючого випромінювання був рівним 30° від нормалі до поверхні досліджуваного зразка, а кут спостереження рівним 0°. Встановлювали величину кута поля зору системи отримання зображень поверхні рівною 0,5°, використовуючи об'єктив Телеар-Н зі встановленою величиною відносного отвору 5.6, чим забезпечували максимальну рівномірність спекл-сигналу на зображенні. Реєстрували кожних 2 секунди зображення спекл-сигналів від досліджуваної поверхні розміром 1280×1024 пікселів з динамічним діапазоном від 0 до 255 градацій до початку процесу корозії, протягом 0,5 годин під час процесу корозії та після його завершення цифровою відеокамерою Pixelink PL-A661 з записом на жорсткий диск персонального комп'ютера через інтерфейс IEEE 1394. На отриманих зображеннях виділяли круглу робочу область діаметром 750 пікселів, для якої необхідно визначити ступінь пошкодження поверхні пітинговою корозією і визначали нормований коефіцієнт кореляції у межах виділеної робочої області між зображеннями спекл-сигналів, отриманими до початку, під час та після завершення процесу корозії. В зображення робочої області спекл-сигналу від поверхні, зареєстроване до початку процесу корозії, шляхом комп'ютерної обробки даних вносили рівномірно розміщені імітаційні сигнали від пітингових пошкоджень у вигляді наборів темних круглих плям різного діаметра з розрахунку перекривання відношення сумарної площі цих плям до площі виділеної області величини ступеня пошкодження поверхні пітингами від 0 до 50 % з кроком 5 %. Діапазон величини сигналів, котрим імітували пітингове пошкодження вибирали рівним 60 градацій. Отриманий таким чином набір зображень з імітацією наростаючої величини пошкодження поверхні пітинговою корозією використовували для визначення набору нормованих коефіцієнтів кореляції з зображенням без корозійних пошкоджень. Далі за допомогою програмного продукту MS Office Excel проводили інтерполяцію отриманої залежності нормованого коефіцієнта кореляції від ступеня пошкодження поверхні пітинговою корозією з 100 точками проміжних значень, що відповідало необхідній детальності визначення ступеня пошкодження поверхні пітами. Отримана таким чином залежність нормованого коефіцієнта кореляції від ступеня пошкодження поверхні 3 UA 108864 U 5 10 15 20 пітинговою корозією є функцією перетворення вимірюючого перетворювача для системи визначення ступеня пошкодження поверхні. На зображеннях спекл-сигналів з корозійними пітинговими пошкодженнями у межах робочої області вибрали область розмірами 50×50 точок без видимих корозійних пітів і визначали величини імовірнісних та кореляційних характеристик спекл-сигналів на зображеннях у межах цієї області для визначення зміни імовірнісних характеристик сигналу, що не пов'язані з пітами. Ці величини використали для коригування величини нормованого коефіцієнта кореляції для усієї досліджуваної області. Визначали часову залежність ступеня пошкодження поверхні сталі 17Г1С пітинговою корозією у межах робочої області протягом експерименту на основі коригованої величини нормованого коефіцієнта кореляції та відповідних значень функції перетворення вимірюючого перетворювача. Техніко-економічний ефект від використання способу визначення ступеня пошкодження поверхні металу пітинговою корозією полягає у забезпеченні можливості визначати ступінь пошкодження пітинговою корозією оптично шорстких поверхонь металів, елементів металевих конструкцій тривалої експлуатації, що мають оптично шорсткі поверхні з використанням доступних засобів оптичної зйомки та підвищенні точності і достовірності отримуваних оцінок ступеня пошкодження поверхні. Джерела інформації: 1. Патент США №7,295,300 В1 2. Патент США № 6,792,357 В2 3. В. И. Тихонов Статистическая радиотехника. Москва, Радио и связь, 1982, 624 C. 4. Дж. Бендат, А. Пирсол Измерение и анализ случайных процессов. Москва, Мир, 1974,464 C. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 25 30 35 40 45 1. Спосіб визначення ступеня пошкодження поверхні металу пітинговою корозією та залежності цього ступеня пошкодження поверхні від часу корозії, що передбачає отримання оптичного зображення поверхні металу до початку, під час чи після завершення процесу корозії і обробку цих зображень, який відрізняється тим, що поверхню металу освітлюють випромінюванням, максимальна довжина хвилі якого не перевищує середню висоту випадкових мікронерівностей поверхні; фазовий кут між напрямком, з якого здійснюють освітлення поверхні, та напрямком з якого здійснюють зйомку поверхні, встановлюють таким, щоб частка багатократно розсіяного на нерівностях поверхні випромінювання була максимальною у складі випромінювання, що розсіюється у напрямку, з якого здійснюють зйомку поверхні; величину кута поля зору системи отримання зображень поверхні встановлюють такою, щоб забезпечити максимальну рівномірність сигналу на зображенні; ступінь пошкодження шорсткої поверхні металу пітинговою корозією та залежності цього ступеня пошкодження поверхні від часу корозії визначають на основі величини нормованого коефіцієнта кореляції між зображенням, отриманим до початку процесу корозії та у інші моменти часу під час процесу корозії чи після його завершення. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що на зображеннях поверхні металу, отриманих під час чи після процесу корозії, вибирають область без видимих пітів, визначають імовірнісні параметри сигналу у межах цієї області, імовірнісні параметри сигналу всього зображення, імовірнісні параметри сигналу у межах відповідної області на зображенні поверхні, отриманому до початку процесу корозії, імовірнісні параметри сигналу всього зображення та кореляційні параметри сигналів вибраних областей цих зображень і використовують ці параметри для коригування впливу зміни характеристик розсіювання поверхні, що не пов'язані з пітингом на величину коефіцієнта кореляції між зображеннями. Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4