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
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, 4S, 7S, 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 S0 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 2S 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 50-60°. 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 осветители - 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 (Б-УНЗ).
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 пневмогидроавтоматики и других аппаратов.
Автомобильная промышленность - для контроля качества изготовления и сборки двигателей, например, качества очистки отливок от стержней, для контроля гидропневмосистем, 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, измерительный 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.
