专利名称：用于对部件的通孔进行自动检查的设备和方法
技术领域：
本发明涉及对部件的通孔的检查，并且具体地，涉及用于通过使用热成像法对部件的通孔进行自动检查的方法和设备。
背景技术：
在若干工业应用中，需要对具有通孔的部件进行检查以确保该部件正常运转。一个这样的示例是涡轮机叶片或轮叶。涡轮机尤其是燃气轮机具有包含下述通道或通孔的轮叶和叶片，所述通道或通孔从叶片或轮叶的外表面通到中空的内部(室)。在使用中，加压的空气被施加给该室，使得冷却的气流流过通孔，由此从通孔的壁以及从叶片或轮叶的表面吸收热量，从而使叶片或轮叶冷却。为了正常地运转，这些被称为冷却孔的通孔必须被制成已知的构型，这是因为必须控制气流的分布以实现正常的冷却。因此，冷却孔必须不被堵塞，即使部分地堵塞也不行。这需要用于对冷却孔进行检查以从外表面检测堵塞的可靠技术。如果检测到冷却孔是堵塞的，即使是部分地堵塞的，那么就需要抛弃和替换部件(即叶片或轮叶)。目前，通过使用红外热成像法来对燃气轮机的叶片或轮叶的冷却孔进行检验和检查。在本文中，使得通常为热气的介质通过冷却孔并且当介质流过冷却孔时使用红外相机来采集由部件发射的红外辐射，以形成热成像图像。堵塞的冷却孔阻塞热流，这在热成像图像中是可见的。因此，为了决定是否可以继续使用部件，需要对热成像图像进行评估。目前，由专业人员人工对热成像图像进行评估以检测被堵塞的冷却孔。这需要对各个热成像图像分别进行对比度调整，对部件中的冷却孔的图案的异常进行识别，对热成像图像中的热点(所述热点与冷却孔对应)的行计数，以及与实际部件中的冷却孔图案进行比较。通常，还必需将直径测量规或销插入到冷却孔中以检查异常。此外，用标准的图像处理过程对热成像图像进行评估是不可能的，这是由于这些图像中的高噪声分量并且还由于因为部件的弯曲而造成的热成像图像中的不均匀照度。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于基于对热成像图像的评估来对部件的通孔进行自动检查的方法和设备，其消除了对现有技术中进行的主观评估的需要。上述目的通过根据权利要求1所述的方法和根据权利要求11所述的设备实现。本发明的基本构思是通过将热成像与根据部件的几何数据获得的数字图像相关联来提供对热成像图像的自动评估。通过使用部件的数字图像，基于对数字图像中的通孔的位置的确定来计算数字图像掩模。将热成像图像适配到数字图像上并且通过使用所计算的数字图像掩模来提取与热成像图像中的通孔对应的区域。通过评估此经掩蔽(mask)的热成像图像来确定通孔的堵塞或异常。现有技术的问题之一是热成像图像具有高的噪声分量而因此难以通过使用标准的图像处理技术来识别并分析通孔。在此，该问题通过使用上述数字图像掩模来提取热成像图像中的通孔而被解决。上述方法完全是自动的并且被认为是比所提及的现有技术中对热成像图像的主观评估更有利。在一个实施方式中，根据部件的CAD模型来获得所述数字图像。在本实施方式中，可以根据CAD模型中的位置数据直接获得想要得到的通孔的位置。在替代实施方式中，根据对部件的三维几何测量来获得所述数字图像。这消除了对三维CAD模型的需要并且还对几何上的偏差不敏感。因此，上述实施方式提供了配置起来非常不费力的通用测试过程。在另一个有利的实施方式中，在对热成像图像进行采集的原位置处并且以与热成像图像的观察位置对应的观察位置对部件进行三维几何测量。在一个实施方式中，适配的步骤包括将热成像图像直接适配在部件的三维数字图像上。这消除了产生用于与热成像图像适配的二维图像的附加步骤。如果部件的夹紧或定位是可再现的，其允许对测试配置只进行一次校准或测量，那么本实施方式是尤其有利的。在替代实施方式中，适配的步骤包括将热成像图像适配在部件的与热成像图像视图的观察位置对应的二维数字图像上。在不能对测试配置进行固定不变的校准的情况下使用本实施方式。在另一个实施方式中，通过将经掩蔽的热成像图像中所指出的特定通孔的温度与参考温度值进行比较来确定该通孔的堵塞或异常。从原理上来讲，在热的介质被送入到通孔时进行的以热成像方式成像期间，通孔用作为黑体腔辐射体，并且因而通孔近似表现为理想的辐射源。因此，通孔的堵塞降低了通孔的温度，这在热成像图像中是可见的。在另一个实施方式中，为了增加对比度，基于对包括至少第一热成像图像和第二热成像图像的多个热成像图像的结合来生成热成像图像，其中第一热成像图像通过在加热循环期间使热的介质穿过通孔并且在所述加热循环期间采集从部件发射的红外辐射而被生成，以及第二热成像图像通过在冷却循环期间使冷的介质穿过通孔并且在所述冷却循环期间采集从部件发射的红外辐射而被生成。在将加热循环和冷却循环二者配合着进行分析的情况下，可以实现热成像图像的增加的对比度或灵敏度，这可以用于检测通孔的局部堵塞或其他微小的异常。在示例性实施方式中，所述部件是涡轮机叶片或轮叶，并且其中，所述通孔是冷却孔。涡轮叶片或轮叶中的冷却孔具有非常小的尺寸，这使得对热成像图像的人工评估相当费时并且费力。为此，本文中，本发明的使用减少了测试时间并且消除了对专业人员的需要。本发明还可以实施为一种包括下述计算机可读介质的程序产品，所述计算机可读介质中存储有下述计算机可读程序代码，所述计算机可读程序代码在一个或更多个处理器上运行时执行根据上述实施方式中任一实施方式所述的方法。
在下文中参考附图中所示的说明性实施方式对本发明进行进一步描述，在附图中图1是根据本发明的一个实施方式的用于对部件的通孔进行检查的设备的示意图，图2A示出了根据3D CAD模型获得的部件的数字图像，图2B示出了根据对部件的3D测量获得的部件的数字图像，图3示出了根据CAD模型或3D测量的关于与通孔对应的区域的数字图像掩模，图4示出了部件的热成像图像，该热成像图像示出了与通孔对应的热点，图5示出了经掩蔽的热成像图像，其中，与图4的热成像图像中的通孔对应的区域被提取出来，以及图6是根据本发明的另一个实施方式的用于对部件的通孔进行检查的设备的示意图，该设备还包括3D成像装置。
具体实施例方式下面所描述的实施方式示出了本发明用于对上面提及的类型的涡轮机叶片或轮叶的冷却孔进行自动检查的用途。然而，本发明可以用于涉及对部件的通孔进行自动检查的若干其他的工业应用。 参考图1，示出了用于对形成在部件5中的通孔6进行检查的设备I。在本示例中，部件5是涡轮叶片或轮叶，并且通孔6包括冷却孔。设备I大体上包括用于生成叶片或轮叶5的热成像图像的成像�？�2 ;用于从热成像图像中提取与冷却孔对应的区域的图像处理�？�3 ;以及用于评估热成像图像的经提取的部分以确定冷却孔中的一个或更多个冷却孔存在堵塞或异常的分析�？�4。在所示实施方式中，成像�？�2的配置包括固定装置7，该固定装置7包括具有下述合适的夹紧装置的台子，该合适的夹紧装置用于将叶片或轮叶5紧固地保持在适当位置。为了进行成像，优选地，该台子允许全部六个自由度的运动，包括沿着方向8的旋转和沿着方向9的回转，如所示的那样。通过使介质穿过冷却孔6并且在介质流过冷却孔6时采集从叶片或轮叶5发射的红外辐射来生成叶片或轮叶5的热成像图像。为此，配置包括被布置成用于将热的介质例如热空气引导到叶片或轮叶5的中空的的内部中的第一流送管线10。在流送管线10上可以设置合适的加热元件12。此外，可以布置第二流送管线11以用于将冷的介质引导到叶片或轮叶5的内部中。在本示例中，冷的介质为由设置在流送管线11上的冷却器15提供的冷的空气。可替代地，冷的介质可以包括环境空气，这会使得不需要冷却器15。流送管线10和流送管线11各自都连接到流量控制阀13例如电磁阀，该流量控制阀13可以被切换以交替地允许热的介质或冷的介质穿过叶片或轮叶5。然后，热的介质或冷的介质会经过叶片或轮叶5的中空的内部并且通过冷却孔6离开，如图1所示。配置还包括红外成像装置14例如红外辐射计、红外相机等，以当热的介质或冷的介质流过冷却孔6时采集从叶片或轮叶5发射的红外辐射。在操作中，通过将电磁阀13切换到使得热的介质通到叶片或轮叶5内部的位置，使得对叶片或轮叶5的冷却孔6的检查以加热循环开始。在此情况下，通过加热元件12将空气加热到高于环境温度的温度，以提供由红外成像装置14在热的介质离开冷却孔6时接收的冷却孔6的红外信号的充分的对比度。优选地，将热的介质持续送入到叶片或轮叶5的中空的内部中达预定时间段，以充分地加热叶片或轮叶5的内壁和冷却孔6周围的壁。这个时间段将取决于叶片或轮叶5的尺寸而改变，但是要有充分的持续时间以使得叶片或轮叶5被加热到稳定的状态条件或者以使得叶片或轮叶材料被加热到充分高的温度，从而造成了在电磁阀13被切换成将冷的介质提供到叶片或轮叶5的内部用于冷却循环时由红外成像装置14检测到的孔的红外信号的对比度。在加热循环期间，由红外成像装置14生成叶片或轮叶5的第一红外热成像图像(通常为第一系列的红外热成像图像)。在加热循环之后，将电磁阀13切换成使得冷的介质通到叶片或轮叶的内部来开始冷却循环。在此，所使用的冷的介质为优选地低于环境温度的冷的空气以改进由红外成像装置14接收的红外信号的对比度或灵敏度。在冷却循环期间，由红外成像装置14生成叶片或轮叶5的第二红外热成像图像(通常为第二系列的红外热成像图像)。在加热循环期间以及冷却循环期间离开冷却孔6的气流16使得冷却孔用作为黑体腔辐射体，因此根据公知的以经验确定的普朗克(Planck)定律，冷却孔接近于表现为理想的辐射源。由此获得的热成像图像用于分析叶片或轮叶5的温度分布，以检查冷却孔6的堵塞或异常。通过给由成像装置14采集的红外辐射的不同的温度分配不同的颜色来生成每个热成像图像。由此，可以基于热成像图像中的特定区域的颜色和/或强度(亮度)来确定该区域的温度。图4示出了涡轮叶片的示例性热成像图像40。在此，如所示的那样，具有最大温度的区域41 (称为热点)大体上对应于冷却孔。然而，如可以看到的那样，这样的热成像图像具有高噪声分量，这连同其他的原因例如冷却孔的小尺寸和近的间隔以及由于叶片或轮叶5的弯曲而造成的热成像图像中的不均匀照度使得难以通过使用标准的图像处理技术来隔离并分析这些热点41的温度。下面所描述的技术提供了对热成像图像的自动评估以检查在冷却孔中的一个或更多个冷却孔的堵塞或异常。再次参考图1，将由成像�？�2生成的第一热成像图像和第二热成像图像(或者第一系列的热成像图像和第二系列的热成像图像)提供给图像处理�？�3。另外，这些图像可以显示在显示监视器17上。图像处理�？榻谝蝗瘸上裢枷裼氲诙瘸上裢枷�(或者第一系列的热成像图像与第二系列的热成像图像)进行结合以生成具有期望的对比度的热成像图像。此处，应该注意的是，在加热循环之后的冷却循环期间进行的以热成像方式成像的目的是提供由红外成像装置14接收的红外信号的改进的对比度和灵敏度。然而，在替代实施方式中，可以通过使单一的介质优选地为热的介质通过冷却孔来生成热成像图像，从而完全省去了冷却循环。根据本发明，基于将热成像图像与根据叶片或轮叶5的几何数据获得的数字图像相关联来评估以上获得的热成像图像。如本实施方式所示的那样，可以根据叶片或轮叶的已经现有的3D CAD模型来获得这样的数字图像。图2A示出了根据所考虑的涡轮叶片或轮叶的CAD模型获得的三维(3D)数字图像20。如下所述，图像处理�？榻瘸上裢枷裼敫軨AD模型的数字图像相关联，从而从热成像图像中提取与冷却孔对应的区域。第一步骤涉及计算关于数字图像20 (参见图2A)上的冷却孔的位置21的数字图像掩模。根据3D CAD模型中的位置数据来确定冷却孔的位置21。此外，可以通过使用最佳拟合法来确定位置公差的补偿。通过使用由此确定的冷却孔的位置数据，计算关于与数字图像20中的冷却孔的位置对应的区域21的数字图像掩模。数字图像掩模的计算涉及将数字图像20中的区域21的所有位的像素值都设定为“1”，并且将周围的背景区域24即数字图像20的其余部分中的所有位的像素值都设定为“O”。图3示出了由于上述操作而获得的数字图像掩模30。下一步骤涉及将热成像图像适配到数字图像上。在当前预期的实施方式中，将热成像图像40 (参见图4)直接适配到与热成像图像中的观察位置对应的3D图像20 (参见图2A)上。如果叶片或轮叶5在成像�？�2中的夹紧或定位(参见图1)是可再现的，其允许对测试配置只进行一次校准或测量，那么本实施方式是尤其有利的。在替代实施方式中，为了消除对测试配置进行校准的困难，可以将热成像图像适配到根据叶片或轮叶的CAD模型计算的与热成像图像中的观察位置对应的二维(2D)图像上。通过使用所计算的数字图像掩模30 (参见图3)对经适配的热成像图像进行掩蔽来从经适配的热成像图像中提取与冷却孔对应的热点或区域41 (参见图4)。对热成像图像进行掩蔽的步骤涉及通过使用按位“与”运算将所计算的数字掩模30 (参见图3)与经适配的热成像图像40 (参见图4)进行逻辑组合。结果是使得与冷却孔对应的区域41隔离的经掩蔽的热成像图像50,如图5所示。再次参考图1，将经掩蔽的热成像图像提供给分析�？�4以用于检查冷却孔的堵塞和异常。因为与冷却孔(热点)对应的区域被隔离并且显著地不同于背景，所以可以例如通过将被隔离的热点中的每个热点的(基于颜色和/或亮度确定的)温度值与阈值或参考值进行比较来确定堵塞或异常。上述技术完全是自动的并且被认为是比所提及的现有技术中对热成像图像的主观评估更有利。本发明的上述实施方式减少了测试时间并且消除了为此对专业人员的需要。在替代实施方式中，根据对叶片或轮叶的3D几何测量而不是使用CAD模型来获得数字图像。这样的3D图像可以从现有的图像数据库检索到。然而，在优选实施方式中，在热成像的成像配置的原位置处生成叶片或轮叶的3D图像。图6示出了用于实现其的设备。此处，成像�？�2另外还包括3D成像装置，该3D成像装置包括光源如结构光投射器60以及被布置成接近所示红外成像装置14的图像采集装置如CXD (或CMOS)相机61。所示的布置有利地使得能够以与热成像图像的观察位置相同的观察位置例如叶片或轮叶5的给定的夹紧位置对叶片或轮叶进行3D测量。图2B示出了由CCD (CMOS)相机61采集的与热成像图像40 (参见图4)的观察位置对应的涡轮叶片或轮叶5的示例性3D数字图像22。再次参考图6，将由CXD (或CMOS)相机61采集的3D图像连同来自红外成像装置14的热成像图像一起提供给图像处理�？�3，用于进一步处理。第一步骤涉及计算关于数字图像22 (参见图2B)上的冷却孔的位置23的数字图像掩模。例如通过使用标准的图像处理技术确定3D图像22中叶片或轮叶的表面上的位置凹陷来确定冷却孔的位置23。通过使用由此确定的冷却孔的位置数据，计算关于与使用所述图像处理技术确定的数字图像22中的冷却孔对应的区域23的数字图像掩模。类似于先前所示的实施方式，此处，数字图像掩模的计算涉及将数字图像22中的区域23的所有位的像素值都设定为“1”，并且将周围的背景区域25即数字图像22的其余部分中的所有位的像素值都设定为“O”。由此得到的数字图像掩模类似于图3所示的数字图像掩模。下一步骤涉及将热成像图像适配到3D数字图像上。在优选实施方式中，将热成像图像40 (参见图4)直接适配到与热成像图像中的观察位置对应的3D图像22 (参见图2B)上。在替代实施方式中，可以将热成像图像适配到根据由CCD (或CMOS)相机采集的叶片或轮叶的3D图像计算的与热成像图像中的观察位置对应的2D图像上。通过使用所计算的数字图像掩模对经适配的热成像图像进行掩蔽来从经适配的热成像图像中提取与冷却孔对应的热点或区域。而且，该步骤也涉及通过使用按位“与”运算将所计算的数字掩模与经适配的热成像图像进行逻辑组合。结果是与图5所示的经掩蔽的热成像图像类似的使得与冷却孔对应的区域隔离的经掩蔽的热成像图像。再次参考图6，如上所述的那样，将经掩蔽的热成像图像提供给分析�？�4，用于例如通过将被隔离的热点中的每个热点的(基于颜色和/或亮度确定的)温度值与阈值或参考值进行比较来检查冷却孔的堵塞和异常。在上述实施方式中涉及的创新性的步骤是提供用于将热成像图像数据与3D几何测量相结合的方法和设备。有利地，上述实施方式消除了对3D模型的需要。此外，由于在进行热成像的原位置处进行3D几何测量，所以上述技术对部件即叶片或轮叶在几何上的偏差不敏感。此外，上述实施方式提供了配置起来非常不费力的通用测试过程。参考图1和图6，图像处理�？�3和分析�？�4可以包括下述一个或更多个处理器，所述一个或更多个处理器具有适合于运行合适的算法以实现上述方法的硬件。由此，图像处理�？�3和分析�？�4的功能通过由它们所运行的算法来实施。因而，本发明还可以被实施为包括下述计算机可读介质的计算机程序产品，所述计算机可读介质中存储有下述计算机可读程序代码，所述计算机可读程序代码在一个或更多个处理器上运行时执行根据上述实施方式中任一实施方式所述的方法。尽管参考一定的优选实施方式对本发明进行了详细描述，但应该理解的是本发明不限于这些特定的实施方式。而是，鉴于描述了用于实施本发明的当前最佳方式的本公开内容，对本领域技术人员来说在不背离本发明的范围和精神的情况下会出现许多修改和变化。因此，本发明的范围由所附权利要求而不是由前面的描述来指出。在权利要求的等同方案的意义和范围之内的所有变化、修改和变型都被认为是在权利要求的范围内。
权利要求
1.一种用于对部件(5)的通孔(6)进行自动检查的方法，包括 获得通过使介质穿过所述通孔(6)并且在所述介质流过所述通孔(6)时对从所述部件(5)发射的红外辐射进行采集所生成的所述部件(5)的热成像图像(40)， 将所述热成像图像(40 )适配在根据所述部件(5 )的几何数据获得的数字图像(20，22 )上， 通过使用数字图像掩模(30)来掩蔽经适配的热成像图像(40)，以提取与所述热成像图像(40)中的通孔对应的区域(41)，所述数字图像掩模(30)基于对所述数字图像(20，22)上的通孔的位置(21，23)的确定而被计算出来，以及 评估经掩蔽的热成像图像(50)以确定所述通孔(6)中的一个或更多个通孔的异常或堵塞。
2.根据权利要求1所述的方法， 其中，所述数字图像(20)根据所述部件(5)的CAD模型而被获得。
3.根据权利要求1所述的方法， 其中，所述数字图像(22 )根据对所述部件(5 )的三维几何测量而被获得。
4.根据权利要求3所述的方法， 其中，在对所述热成像图像(40)进行采集的原位置处并且以与所述热成像图像(40)的观察位置对应的观察位置对所述部件(5)进行所述三维几何测量。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法， 其中，所述适配的步骤包括将所述热成像图像(40 )直接适配在所述部件(5 )的三维数字图像(20，22)上。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的方法， 其中，所述适配的步骤包括将所述热成像图像(40)适配在所述部件(5)的与所述热成像图像(40)的观察位置对应的二维数字图像上。
7.根据上述权利要求中任一项所述的方法， 其中，通过将根据所述经掩蔽的热成像图像(50)确定的与特定通孔(6)对应的区域的温度与参考温度值进行比较来确定所述通孔(6)的堵塞或异常。
8.根据上述权利要求中任一项所述的方法， 其中，通过对包括至少第一热成像图像和第二热成像图像的多个热成像图像进行结合来获得所述热成像图像(50)，其中 所述第一热成像图像通过在加热循环期间使热的介质穿过所述通孔(6)并且在所述加热循环期间采集从所述部件(5)发射的红外辐射而被生成，以及 所述第二热成像图像通过在冷却循环期间使冷的介质穿过所述通孔(6)并且在所述冷却循环期间采集从所述部件(5)发射的红外辐射而被生成。
9.根据上述权利要求中任一项所述的方法， 其中，所述部件(5)为涡轮机叶片或轮叶，并且其中，所述通孔(6)为冷却孔。
10.一种包括计算机可读介质的计算机程序产品，所述计算机可读介质中包含有计算机可读程序代码，所述计算机可读程序代码在一个或更多个处理器上运行时执行根据上述权利要求中任一项所述的方法。
11.一种用于对部件(5)的通孔(6)进行自动检查的设备(1)，包括成像模块(2 )，所述成像�？�(2 )适于通过使介质穿过所述通孔(6 )并且在所述介质流过所述通孔(6)时对从所述部件(5)发射的红外辐射进行采集来生成所述部件(5)的热成像图像(40)， 图像处理�？�(3)，所述图像处理�？�(3)适于将所述热成像图像(40)适配在根据所述部件(5)的几何数据获得的数字图像(20，22)上，并且适于通过使用数字图像掩模(30)来掩蔽经适配的热成像图像(40)，以提取与所述热成像图像(40)中的通孔对应的区域(41)，所述数字图像掩模(30)基于对所述数字图像(20，22)上的通孔的位置(21，23)的确定而被计算出来，以及 分析�？�(4)，所述分析�？�(4)适于评估经掩蔽的热成像图像(50)以确定所述通孔(6)中的一个或更多个通孔的异常或堵塞。
12.根据权利要求11所述的设备(1)， 其中，所述数字图像(20)根据所述部件(5)的CAD模型而被获得。
13.根据权利要求11所述的设备(1)， 其中，所述成像�？�(2)还包括三维成像装置(60，61)，所述三维成像装置(60，61)用于基于从与所述热成像图像(40)的观察位置对应的观察位置对所述部件(5)进行的三维几何测量来生成所述数字图像(22 )。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的设备(1)， 其中，所述热成像图像(50)通过对包括至少第一热成像图像和第二热成像图像的多个热成像图像进行结合而被获得，其中，所述成像单元还包括 用于在加热循环期间使热的介质穿过所述通孔(6)的布置(10，12，13)， 用于在冷却循环期间使冷的介质穿过所述通孔(6)的布置(11，13，15)，以及 用于在所述加热循环期间以及所述冷却循环期间采集从所述部件(6)发射的红外辐射以分别生成所述第一热成像图像和所述第二热成像图像的红外成像装置(14)。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的设备(I)， 其中，所述分析�？�(4)适于通过将根据所述经掩蔽的热成像图像(50)确定的与特定通孔(6)对应的区域的温度与参考温度值进行比较来确定所述通孔的堵塞或异常。
全文摘要
本发明提供了一种用于对部件的通孔进行自动检查的设备和方法。所提出的设备(1)包括成像�？�(2)、图像处理�？�(3)和分析�？�(4)。成像�？�(2)适于通过使介质穿过通孔(6)并且在介质流过通孔(6)时对从部件(5)发射的红外辐射进行采集来生成部件(5)的热成像图像(40)。图像处理�？�(3)适于将热成像图像(40)适配在根据部件(5)的几何数据获得的数字图像(20，22)上。图像处理�？�(3)还适于通过使用数字图像掩模(30)来掩蔽经适配的热成像图像(40)，以提取与热成像图像(40)中的通孔对应的区域(41)。数字图像掩模(30)基于对所述数字图像(20，22)上的通孔的位置(21，23)的确定而被计算出来。分析�？�(4)适于评估经掩蔽的热成像图像(50)以确定所述通孔(6)中的一个或更多个通孔的异常或堵塞。
文档编号G01M3/00GK103052877SQ201180037948
公开日2013年4月17日 申请日期2011年9月14日 优先权日2010年9月14日
发明者罗尼·扬克, 特里斯坦·施策普雷克 申请人:西门子公司
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