В обзоре приводятся общие характеристики жестких и гибких эндоскопов, а также эндоскопических видеосистем. Рассматриваются возможности технических эндоскопов как средства НК в различных отраслях промышленности.

Об авторе

 

 

Сирота Геннадий Анатольевич 

Менеджер по техни­ческим эндоскопам ОАО «Оптимед». В 1995 г. окончил автомобильный факультет Военной ака­демии тыла и транспор­та. Специализируется в области разработки и продвижения приборов ви­зуального контроля.

 

 

Визуальный НК основных материалов, свар­ных соединений и изделий проводится невоору­женным глазом или с применением оптических приборов: луп, микроскопов и визуально-опти­ческих приборов для контроля удаленных или скрытых объектов - эндоскопов, перископических дефектоскопов, зеркал, зрительных труб и др.

Цель данной статьи - ознакомить читателей с эндоскопами. Согласно ГОСТ 24521-80 "Конт­роль неразрушающий оптический. Термины и определения", эндоскоп - это оптический прибор, имеющий осветительную систему и предназна­ченный для осмотра внутренних поверхностей объекта контроля.

Для начала необходимо внести ясность в термино­логию. Из всего разнообразия эндоскопов, бороскопов, фиброскопов, цистоскопов, гастроскопов и т. д. выделим термин эндоскоп как определяющий. В переводе с грече­ского endon - внутри и skopeo - рассматривать. Эндоскопы разделяются на гибкие и жесткие. Бороскоп (borescope) в иностранной литературе - это либо общее название эндо­скопов, либо жестких эндоскопов. Фиброскоп, флексоскоп - англоязычные названия гибких эндоскопов от fiber - волокно, flexible - гибкий. Все остальные - это названия медицинских приборов, имеющих в своем составе эндоскоп и предназна­ченных для конкретных целей: гастроскоп - осмотр желудка, бронхоскоп - осмотр бронхов и т. д. Поэтому применять в технике подобные названия несколько некорректно, при том, что часто разные названия подразумевают один и тот же эндоскоп, но с разным дополнительным оборудованием.

Жесткие эндоскопы

Предназначены для визуального контроля узлов, к которым возможен прямолинейный доступ (особенно, когда эндоскопический контроль запланирован на стадии проек­тирования изделия). Жесткие эндоскопы используются для осмотра газовоздушного тракта авиадвигателей, полостей машин и механизмов, пустот в стенах зданий, каналов и труб малого диаметра, полостей отливок, шлифованных и хонингованных отверстий.

Жесткий эндоскоп (оптическая трубка) сос­тоит из визуальной и осветительной системы. Ви­зуальная система состоит из линзовой, стержне­вой или градиентной оптики, которая заключена во внутреннюю металлическую трубку. Освети­тельная система состоит из оптического волокна, которое расположено между двумя металличес­кими трубками: наружной и внутренней.

Жесткие эндоскопы характеризуются че­тырьмя основными параметрами: диаметром рабочей части, длиной рабочей части, углом на­правления наблюдения и углом поля зрения.

Наиболее распространенные диаметры ра­бочей части 1,7; 2; 2,7; 4; 6; 8 и 10 мм. Длина жестких эндоскопов обычно находится в пределах от 100 до 1000 мм и изменяется с шагом 200 - 300 мм. Основные углы направления наблюдения 0, 30, 45, 75, 90 и 110°. Угол направления наблю­дения может быть и плавно изменяемым в эндо­скопах с качающейся призмой - от 30 до 110°. Угол поля зрения, как правило, варьируется от 50 до 90°. При этом необходимо учитывать, что увеличение поля зрения приводит к уменьшению детализации, т. е. можно видеть много и мелко или мало и крупно.

Основное преимущество жестких эндоско­пов - высокая разрешающая способность - до 25 линий на миллиметр.

Гибкие эндоскопы 

Не всегда возможен прямой доступ к объекту или сам объект имеет сложную геометрию, например, газотур­бинные, электрические двигатели, турбогенераторы, котлы, теплообменники, трубы водоснабжения, канализации, про­мышленные коммуникации. В этом случае для визуального контроля применяют гибкие эндоскопы.

В гибких эндоскопах визуальная система и система передачи света состоят из волоконной оптики, смонтированной внутри гибкой трубки с управляемым дистальным концом.

Канал для передачи изображения представ­ляет собой линзовый объектив, который строит изображение исследуемого объекта на торце ка­беля для передачи изображения. Далее изобра­жение передается по кабелю, состоящему из большого числа волокон толщиной 10-12 мкм. Расположения торцов волокон на входе кабеля точно должно соответствовать их расположению на выходе, т. е. должна быть регулярная уклад­ка. Изображение, полученное на конце кабеля, рассматривается через окуляр, имеющий диоптрийную подвижку для подстройки под глаза.

Канал для передачи света представляет собой, как правило, светорассеивающую линзу, вклеенную в головку прибора, световолоконный жгут с нерегулярно уложенными волокнами тол­щиной 2S мкм. Конец световолоконного жгута вмонтирован в специальный наконечник, под­ключающийся к осветителю.

Гибкие эндоскопы имеют управляемый дистальный конец, изгибающийся в одной или двух плоскостях. Как правило, это определяется диаметром рабочей части. Обычно в эндоскопах малого диаметра (6 мм и менее) изгиб осущест­вляется в одной плоскости, а в более крупных - в двух. В эндоскопах различных производителей угол изгиба бывает от 90 до 180°. К тому же эн­доскопы могут комплектоваться насадками или объективами бокового наблюдения. Это важно, если есть необходимость осматривать, например, стенки труб малого диаметра, где изгиб дисталь­ного конца невозможен.

Эндоскопы могут иметь канал для гибкого инструмента при необходимости осуществления манипуляций, например, захвата предметов, взятия пробы и т. д.

Основным недостатком гибких эндоскопов по сравнению с жесткими является более низкая разрешающая способность.

При выборе гибкого эндоскопа руководству­ются двумя основными параметрами: диаметром и длиной рабочей части. Наиболее распространен­ные диаметры 4, 6, 8 и 10 мм. В последнее время ведущие производители предлагают гибкие эндо­скопы диаметром рабочей части от 0,5 до 2 мм. Длины рабочей части изменяются от 500 до 3000 мм с шагом, как правило, 500 мм. Угол поля зрения составляет S0-60°. При необходи­мости он может быть увеличен до 90- 100°.

Обычно гибкие эндоскопы имеют герметич­ную маслобензостойкую рабочую часть с покры­тием из нержавеющей стали.

Видеоэндоскопы

Гибкие волоконно-оптические эндоскопы имеют ряд недостатков, наиболее существенные из которых - невысокая разрешающая способ­ность и ограничения по длине, определяемые волокном передачи изображения. Модернизация или, точнее, замена в системе передачи изобра­жения гибкого эндоскопа волоконно-оптического жгута на электронику позволила повысить раз­решающую способность приборов и увеличить их длину и привела к появлению видеоэндоско­пов. Изображение в них через объектив попа­дает на ПЗС матрицу, затем сигнал по кабелю передается в блок преобразования и выводится на монитор.

В настоящее время в мире производятся видеоэндоскопы с диаметрами рабочей части 6, 8, 10, 12, 16 и 20 мм и длиной от 2 до 30 м.

Осветители

Для качественного визуального контроля объектов необходимо их хорошее освещение. В эндоскопах для этой цели служит система передачи света, работающая совмест­но с мощным источником, называемым осветителем.

Осветители в зависимости от типа лампы, бывают галогенные, металлогаллоидные и ксеноновые.

В галогенных осветителях, как правило, используют 100 или 150 Вт галогенные лампы. Основ­ное преимущество - дешевизна. Недостатки - высокое энергопот­ребление при относительно невы­соком световом потоке, малый срок службы лампы (порядка 50 ч) и сме­щенный в желтую область спектр.

Металлогаллоид­ные осветители имеют 24 Вт лампу. Они зна­чительно дороже гало­генных, однако облада­ют рядом достоинств: низкое энергопотребле­ние при световом пото­ке, сравнимом с 200 Вт галогенной лампой; дли­тельный срок службы лампы - 600-800 ч; спектр, приближенный к естественному белому свету. Дан­ные осветители являются наиболее предпочтитель­ными для применения с техническими эндоскопами.

Ксеноновые осветлители - наиболее мощные осветительные системы, но и самые дорогие. Они находят небольшое применение.

Эндоскопические видеосистемы

Эндоскопические видеосистемы предназначены для вывода изображения на монитор и документирования ре­зультатов контроля. Они используются с жесткими и гибкими волоконно-оптическими эндоскопами.

В общем случае видеосистема состоит из оптико-механического адаптера с видеокаме­рой, присоединяемого к окуляру эндоскопа, блока управления и монитора. В некоторых случаях блок управления может отсутствовать. Вместо монитора возможно использование бытового те­левизора или компьютера с устройством ввода- вывода видеосигнала.

Видеокамеры, в зависимости от решаемых задач, изготавливаются черно-белые или цвет­ные. Как правило, все они имеют разрешающую способность порядка 470 ТВ линий (З-УНБ).

Области применения эндоскопов 

Основное назначение эндоскопов - быст­рое и высококачественное визуальное исследо­вание труднодоступных полостей машин и меха­низмов без их разборки. Ниже приведены наи­более наглядные примеры по отраслям.

Электроэнергетика - для контроля состояния теп­лотехнического, электрического и других видов оборудо­вания электростанций. Например, для контроля состояния внутривальных охлаждающих каналов, обмоток электроге­нераторов и трансформаторов, внутренних стенок труб.

Водоснабжение и канализация - для обнаружения разрывов, коррозии, засоров, трещин и инородных предме­тов в трубах и баках, контроля состояния проточной части насосных систем.

Металлургическая промышленность - для техниче­ского обслуживания средств производства, например, осмот­ра узлов печей, а также для контроля качества отливок.

Авиационная и космическая промышленность - для контроля состояния силовых элементов корпусных кон­струкций, стенок баков, лопаток газовых турбин и компрес­соров, обечаек, распылителей, форсунок камер сгорания, а также при разработке, доводке и производстве ракетных двигателей и пневмогидросистем. 

Машиностроение - для контроля качества из­готовления и проверки тех­нического состояния раз­личных узлов и деталей машин, например, полос­тей пресс-форм, деталей механических передач, подшипников, трубопро­водов, полостей паяных и сварных конструкций. 

Службы обеспечения безопасности, таможня - для быстрого поиска взрыв­ных устройств, наркоти­ков, оружия, контрабанды, для осмотра содержимого непрозрачной тары без ее вскрытия и для ряда дру­гих специальных целей.

Архитектура и строительство - для проверки состо­яния силовых элементов перекрытий, внутренних полостей, арматуры и гидроизоляции стен, состояния трубопроводов, а также при архитектурном моделировании.

Газоперекачивающие станции - для контроля сос­тояния лопаток, камер сгорания, топливной системы и других узлов газоперекачивающих агрегатов, проверки на наличие эрозии, коррозии, отложений и усталостных тре­щин в кранах, задвижках, трубопроводах, сепараторах и других узлах.

Химическая и нефтехимическая промышленность

- для проведения систематических и аварийных осмотров трубопроводов, сосудов высокого давления, теплообменни­ков, узлов пневмо-гидроавтоматики и других аппаратов.

Автомобильная промышленность - для контроля качества изготовления и сборки двигателей, например, ка­чества очистки отливок от стержней, для контроля гидро- пневмосистем, качества сварки и окраски. В эксплуатации - контроль состояния клапанов, гильз цилиндров, зубьев шестерен, коррозии деталей кузова.

Железнодорожный и морской транспорт - для ос­мотра дизельных и электрических двигателей, генераторов, трансформаторов и других агрегатов и узлов.

Электронная промышленность - для контроля и обес­печения качества производства и сборки электронных устройств.

Наука и образование - для наблюдения за животны­ми и насекомыми, исследований корневой системы растений и т. д. Для проведения археологических и поисковых работ, обследования внутренних полостей статуй и памятников.

Заключение

Мировыми лидерами в производстве техни­ческих эндоскопов являются Olympus (Япония), Everest VIT (США), ITI (США), Karl Storz (Германия). Их отличает широкий ассортимент продукции, высокое качество, опыт работы с крупными про­мышленными компаниями, оригинальные техниче­ские решения. Например, всеракурсная измери­тельная система на базе видеоэндоскопа Olympus со сменными бинокулярными объективами, из мерительный видеоэндоскоп Everest VIT Video­Probe XLM модели "С" с видеокадром из 440000 то­чек стандарта S-VHS, со встроенными в рукоятку органами управления эндоскопом и LCD-монитором с TFT-матрице и измерением линейных раз­меров и глубины дефектов с погрешностью 2-3 %.

Среди отечественных производителей можно отметить компанию Оптимед (Санкт-Петер­бург), имеющую большой опыт в разработке и производстве гибких и жестких эндоскопов.