ISSN: 2603-4018 eISSN: 2603-4646

INTERNATIONAL JOURNAL

for science, techniques and innovation for non-destructive inspection

and material evaluation for the industries

NDT DAYS

Volume II / Issue 1 Year 2019

Published by Bulgarian Society for Non-Destructive Testing Member of ICNDT and EFNDT

International Journal “NDT Days”

ISSN: 2603-4018, eISSN: 2603-4646

PUBLISHER: Bulgarian Society for NDT (BG S NDT)

FOUNDERS: Bulgarian Society for NDT, Institute of Mechanics at the Bulgarian Academy of Sciences The scope of the journal is aimed to all methods and techniques of non-destructive and destructive testing, as well as evaluation of materials and structures in all areas of technical activities. It is an opportunity to publish research and development results, together with good practices and recommendations for standardization. Submitted manuscripts should not have been published previously and should not be currently under consideration for publishing elsewhere. They should be prepared in accordance with the Instructions for Authors, published on the journal site. The articles appearing in the Journal are indexed in NDT Net.

THEMATIC FIELDS

1. Non-destructive inspection methods - Non-destructive testing methods (ultrasonic, penetrant, magnetic, visual,

infrared thermography, radiography, leek, etc.); - Non-destructive and destructive inspection of the integrity, structure and

physico-mechanical properties of materials; - Application of non-destructive and destructive testing methods for

inspection in energy, transport, engineering, construction, chemical industry, etc.;

- Structural health monitoring of equipment and structures with non-destructive testing methods (vibration diagnostics, acoustic emission, infrared thermography, etc.);

- Advanced non-destructive testing methods and techniques (phased array, TOFD, computer and digital radiography, tomography, automatic system for inspection, shearography, etc.);

- Training, certification, accreditation and standardization in scope of non-destructive inspection and conformity assessment of materials, equipment and structures.

2. Techniques for material processing and condition monitoring of equipment - Design and construction; - Life cycle condition monitoring; - Material sciences; - Manufacturing, exploitation, maintenance and repair; - Innovation methods and techniques for modernization; - Metal casting, welding, soldering bonding, machining, surface

treatment; - Mathematical modeling of technological processes; - Load treatment and deformation; - Training.

OFFICIAL LANGUAGES: Bulgarian, English and Russian

EDITORIAL BOARD

EDITOR IN CHIEF Mitko MIHOVSKI, President of BG S NDT, Sofia, Bulgaria

DEPUTY EDITOR IN CHIEF Peter DJONDJOROV, Institute of Mechanics at the Bulgarian Academy of Sciences, Sofia, Bulgaria

SCIENTIFIC SECRETARIES Yordan MIRCHEV, Institute of Mechanics at the Bulgarian Academy of Sciences, Sofia, Bulgaria Krassimira IVANOVA, Institute of Mathematics and Informatics at the Bulgarian Academy of Sciences, Sofia, Bulgaria

MEMBERS Victor CHIRIKOV, Technical University of Varna, Varna, Bulgaria Pavel CHUKACHEV, Multitest Ltd., Varna, Bulgaria Dimitar DIMOV, University of Architecture, Civil Engineering and Geodesy, Sofia, Bulgaria Hristo DRAGANCHEV, Technical University – Varna, Varna, Bulgaria Grigorii DYMKIN, Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University, Saint-Petersburg, Russia Borislav GENOV, Defence Institute “Prof. Tsvetan Lazarov”, Sofia, Bulgaria Ivan GEORGIEV, Institute of Information and Communication Technologies at the Bulgarian Academy of Sciences, Sofia, Bulgaria Eduard GORKUNOV, Institute of Engineering Science, Ural Branch of the Russian Academy of Science, Ekaterinburg, Russia Janez GRUM, University of Ljubljana, Slovenia Yonka IVANOVA, Institute of Mechanics at the Bulgarian Academy of Sciences, Sofia, Bulgaria Vasil KAVARDJIKOV, Institute of Mechanics at the Bulgarian Academy of Sciences, Sofia, Bulgaria Ivan KOLAROV, Todor Kableshkov University of Transport, Sofia, Bulgaria Vladimir KOSTIN, M.N. Mikheev Institute of Metal Physics of Ural Branch of Russian Academy of Sciences; Yekaterinburg, Russia

Vadim KOVTUN, Gomel Branch of the University of Civil Protection of the Ministry for Emergency Situations of the Republic of Belarus, Gomel, Belarus Sergey KRIVOSHEEV, Peter the Great Polytechnic University, Saint Petersburg, Russia Emil MANOAH, Institute of Mechanics at the Bulgarian Academy of Sciences, Sofia, Bulgaria Svetozar MARGENOV, Institute of Information and Communication Technologies at the Bulgarian Academy of Sciences, Sofia, Bulgaria Boris MIHAYLOV, SPECTRI Ltd, Sofia, Bulgaria Giuseppe NARDONI, International Academy on NDT, Brecia, Italy Alexander NAZARYTHEV, Federal State Educational Establishment “PEIPK”, Saint Petersburg, Russia Amos NOTEA, Technion, Israel Institute of Technology, Haifa, Israel Anna POVOLOTSKAYA, Institute of Engineering Science, Ural Branch of the Russian Academy of Science, Ekaterinburg, Russia Vladimir PROHOROVICH, ITMO University, Saint Petersburg, Russia Nikolay RAZYGRAEV, State Reseach Center of Russian Federation CNIITMASH, Moscow, Russia Vladimir SERGIENKO, V.A. Belyi Metal-Polymer Research Institute of the NAS of Belarus”, Gomel, Belarus Yossi SHOEF, Israeli National Society for NDT, Tel Aviv, Israel Alexandar SKORDEV, Certification Center for NDT Personnel at the Bulgarian Society for NDT, Bulgaria Marin STOYCHEV, Institute of Metal Science, Equipment, and Technologies with Hydro- and Aerodynamics Centre “Acad. A. Balevski”, Sofia, Bulgaria Maciej SULOWSKI, AGH University of Science and Technology, Krakow, Poland Alexey TADJIBAEV, Federal State EducationalEstablishment “PEIPK”, Saint Petersburg, Russia Vasiliy TITKOV, Peter the Great Polytechnic University, Saint Petersburg, Russia Vladimir TROITSKY, E. O. Paton Electric Welding Institute of the NAS of Ukraine, Kiev, Ukraine Valeriy VENGRINOVICH, Institute of Applied Physics of the NAS of Belarus, Minsk, Belarus

EDITORIAL OFFICE: International Journal “NDT Days”

Institute of Mechanics, Bulgarian Academy of Sciences Acad. G. Bonchev Str., Block 4, Sofia – 1113, Bulgaria phone: +359 2 9797120 e-mail: ndtdays@abv.bg http://www.bg-s-ndt.org/journal.html

Publishing of Volume II (2019) of the International Journal “NDT Days” is partially financed by TU-Varna under the project NF-2/2019

3

Уважаеми колеги,

През 2018 г. ННТД по дефектоскопия взе решение да се издава списание NDT Days, където да се публикуват статии на български и чуждестранни специалисти по безразрушителен контрол, техническа диагностика, изследване и изпитване на материали, изделия и конструкции. Списанието бе посрещнато с интерес от специалистите, като платформа за публикуване на основните изследвания, представени на годишните Дни на безразрушителния контрол (NDT Days).

През 2019 г. списанието отбелязва своята втора годишнина. Отново в списанието

ще намерят място, след рецензиране, основните научни доклади и съобщения, докладвани на Дните на безразрушителния контрол NDT Days 2019 г. в Созопол, както и други постъпили в редакцията публикации.

От 15 до 20.06.2020 г. отново ще се проведат традиционните NDT Days в Созопол,

където очакваме Вашето активно участие. Списанието „NDT Days“ се издава от ННТДД с подкрепата на международна

редакционна колегия. Списанието се представя на www.bg-s-ndt.org/journal. Сайтът осигурява достъп до всички публикации, които са свободно достъпни за четене. Статиите в списанието се публикуват на български, руски или английски и се подготвят съгласно изискванията, представени в условията за публикуване на сайта. Печатният вариант на списанието се депозира в Националната библиотека „Св. св. Кирил и Методий“ и Националната научно-техническа библиотека и се съхранява в Националния център по безразрушителен контрол към ННТДД в Института по механика на Българската академия на науките.

Списанието се предоставя за индексиране в световната научна база от данни ndt.net. За мен е удоволствие да Ви представя вторият том на списанието „NDT Days“.

Надявам се, че списанието с широко международно участие да бъде ефективна, достъпна до широк кръг автори платформа за публикуване на резултатите от съвременни иновационни изследвания в областта на приложение на методите за безразрушителен контрол за осигуряване на безопасността на съвременното общество.

проф. Митко МИХОВСКИ академик на IA NDT председател на ННТДД главен редактор на списанието

4

We are pleased to inform you that "NDT Days 2020" will be held from 15 to 19 June 2020 in Sozopol at the Red Cross Hotel. All interested persons are invited to participate at the conference, and to contribute papers in oral or poster sections. Manufacturers and suppliers of NDT instruments, software, literature and service providers are invited to present their products andinnovations at the exhibition. More information can be seen on http://www.bg-s-ndt.org/NDT_Days.

5

Table of Contents

Sоme Diagnostic Possibilities of High-Resolution Rhythmocardiography (Innovation Experience) ................................................................................................................................. 7

Vladimir A. MIRONOV, Tatiana F. MIRONOVA, Elizaveta Y. MORDAS Некоторые диагностические возможности ритмокардиографии высокого разрешения (инновационный опыт)

Владимир А. МИРОНОВ, Татьяна Ф. МИРОНОВА, Елизавета Ю. МОРДАС

Possibilities of Clinical High-Resolution Rhythmocardiography in Arrhythmology .............. 19 Tatyana F. MIRONOVA, Vladimir A. MIRONOV, Egor A. KOVIN, Vasily V. GAGIEV

Основы и диагностические возможности клинической ритмокардиографии высокого разрешения в аритмологии

Татьяна Ф. МИРОНОВА, Владимир А. МИРОНОВ, Егор А. КОВИН, Василий В. ГАГИЕВ

Exophthalmometry: the Improvement of a Technique of Exophthalmos Degree Definition, Taking into Account a Dysplasia of the Skull ....................................................... 28

Marina ALATORTSEVA, Sergey KOROTKIH, Vladimir MIRONOV, Eduard GORKUNOV, Dmitry VICHUZHANIN

Экзоофтальмометрия: усовершенствование методики определения степени экзофтальма c учетом дисплазии черепа

Марина АЛАТОРЦЕВА, Сергей КОРОТКИХ, Владимир МИРОНОВ, Эдуард ГОРКУНОВ, Дмитрий ВИЧУЖАНИН

Development and Verification of Software and Hardware Complex of Inertial System for Estimation of Human Motion Parameters of Limbs ................................................................ 31

Serhii LAKOZA

The Method of Recording Information in the Iconic Optical-Electronic System of Non-Destructive Testing .................................................................................................................. 42

Diana PIVTORAK Способ регистрации информации в иконической оптико-электронной системе неразрушающего контроля

Диана ПИВТОРАК

Approximation of Oscillatory Signals in Technical Diagnostics ............................................. 48 Serhii TSYBULNYK, Iryna KOMENCHUK

Аппроксимация колебательных процессов в технической диагностике Сергей ЦЫБУЛЬНИК, Ирина КОМЕНЧУК

Optimization of Analysis Time of Pulsed Eddy Current Non-destructive Testing Signals ..... 58 Yurii KUTS, Anatoliy PROTASOV, Iuliia LYSENKO, Alexander ALEXIEV, Oleksandr DUGIN

Оптимизация времени анализа сигналов импульсного вихретокового неразрушающего контроля

Юрий КУЦ, Анатолий ПРОТАСОВ, Юлия ЛЫСЕНКО, Александер АЛЕКСИЕВ, Олександр ДУГИН

6

Improving the Efficiency of the Ultrasonic Flaw Detector ...................................................... 64 Anatolii PROTASOV, Valentyn PETRYK, Oleksandr POVSHENKO

System for Diagnosing Main Pipelines of Heat Networks Based on UAVs ........................... 69 Artur ZAPOROZHETS

Multi-sensory Device for Real-time Monitoring of Environmental Parameters ...................... 78 Deyan GRADINAROV, Yuri BIJEV

Organization of Еducation for NDT Еngineers ........................................................................ 85 Yordan N. MIRCHEV, Mitko M. MIHOVSKI

Относно организиране на обучението на инженери по NDT Йордан МИРЧЕВ, Митко МИХОВСКИ

Experience in the Organization of Non-Destructive Testing Formal Education in Ukraine ................................................................................................................................. 91

Olena LASHKO

Management Models Applied in Accreditation Process (Healthcare, Higher Education and Conformity Assessment) in Bulgaria ................................................................................ 96

Stoyan HANDJIEV, Yuriy DANEV, Mitko MIHOVSKI, Iliya TSENEV, Mariana SHIRKOVA, Vanya TODOROVA, Peter DINEFF

Модели на управление, прилагани в процеса на акредитация – в здравеопазването, висшето образование и оценяването на съответствие в България

Стоян ХАНДЖИЕВ, Юрий ДАНЕВ, Митко МИХОВСКИ, Илия ЦЕНЕВ, Мариана ШИРКОВА, Ваня ТОДОРОВА, Петър ДИНЕВ

Development of NDT Methods for Control of Building and Bridge Structures in Bulgaria .............................................................................................................................. 102

Dimitar DIMOV

Bulgarian Society for NDT International Journal “NDT Days” Volume II, Issue 1, Year 2019

ISSN: 2603-4018eISSN: 2603-4646

7

Sоme Diagnostic Possibilities of High-Resolution Rhythmocardiography (Innovation Experience)

Vladimir A. MIRONOV1, Tatiana F. MIRONOVA2, Elizaveta Y. MORDAS2

1 FSBEI HE Ural State Medical University of Health,Yekaterinburg, Russia,

e-mail: micor_mail@mail.ru 2 FBSI Yekaterinburg Medical Scientific Center of Prevention and Health Protection of Industrial Workers,

Yekaterinburg, Russia, e-mail: mordaseyu@ymrc.ru Abstract. Results of 34-years researches presented here, as diagnostic possibles of high-resolution rhythmocardiography (5CG) for heart rate variability (HRV) analysis at heart deregulation of the coronary artery disease (CAD) , as predictor and marker of beginning CAD till interventional surgery myocardial revascularization. The сhroniс ischemia was characterized by reduction of all HRV waves. Every ischemic episode of angina pectoris was registered on the rhythmocardiogram, as HRV stabilization during stenocardia, decrease of the autonomic sympathetic and parasympathetic regulation. At spectral correlation autonomic shares decreased too and a humoral-metabolic influence increased with passage to low level of regulation, slow and failure. At the RCG investigation of 96 patients with acute myocardial infarction (AMI) there was defined different breaches SN regulation at anterior and posterior AMI, and also at subendocardial and subepicardial acute coronary syndromes. At the coronary shunting every period of operation accompanied different deregulation of the SN. In patients with initial autonomic cardioneuropathy was the high risk of life-dangerous cardioarrhythmias (CA) during surgical manipulations, for example atrial flutter. At the researches of HRV in 4620 patients with CA there was defined that a number clinical forms of CA may be registered on rhythmocardiogram. The most important possibilities of RCG connect with definition of hemodynamic breaches and the arrhythmogenic autonomic background of every arrhythmic episode. Keywords: heart rate variability, high-resolution rhythmocardiography, coronary artery disease.

Некоторые диагностические возможности ритмокардиографии высокого разрешения (инновационный опыт)

Владимир А. МИРОНОВ, Татьяна Ф. МИРОНОВА, Елизавета Ю. МОРДАС

Введение

Представлены некоторые результаты разработки метода ритмокардиографии высокого разрешения и его аппаратно программного обеспечения, а также применения их в кардиологической практике с целью раннего выявления дизрегуляций в сократительной деятельности сердца, как предикторов и маркёров заболеваний сердца, в частности ИБС и её клинических форм. Выбор нозологии обусловлен приоритетной распространённостью заболевания во всём мире, высокой степенью инвалидизации от него и летальными исходами [1, 4, 6, 8, 9]. При этом, с дизрегуляций начинаются сердечно-сосудистые болезни (ССЗ) и ими сопровождаются [8]. Их диагностика связана с вегетативной регуляцией, которая в современной медицине регистрируется и анализируется ритмокардиографией (РКГ) с анализом вариабельности сердечного ритма (ВСР). Поскольку изменения ВСР от воздействия интра- и экстракардиальных влияний реализуется на синаптическом уровне, требуется высокая степень дискретизации

8

электрокардиосигнала (ЭКС), а также учёт всех физиологических особенностей синаптического уровня передачи импульсов с нервных окончаний вегетативных нервов к клеткам-эффекторам (исполнителям). У электродиагностических комплексов, используемых в кардиологической практике, максимальная точность-250 Гц. Дизрегуляторная диагностика при ССЗ выявляется специализированной аппаратурой с дискретизацией ЭКС в 1000 Гц. И это не предел [8]. Материалы и методы.

В течение 35 лет проводится разработка и медицинская апробация аппаратно-программного диагностического компьютерного комплекса (АПК) высокой тонности (1000±3Гц) для регистрации и анализа волновой структуры ВСР, содержащей диагностическую информацию о дизрегуляции сокращений сердца. С нарушений ритма сердца начинаются заболевания ССЗ и на их фоне формируются, что значимо для ранней диагностики ССЗ и её лечения с использованием выбора лечения, оценки выраженности болезни и её динамики. В связи с распространённостью ССЗ исходно апробировалось применение метода РКГ и АПК при ИБС. Физиологической основой ВСР является суперинтегральная функция сердца. потенцируемая пейсмекерными клетками синоатриального узла (СУ), который являегся пейсмекером первого порядка в сократительной деятельности сердца. СУ имеет многовариантные дизрегуляторные изменения при клинических формах ИБС. Поэтому потребовалось не только создание АПК, но и одновременная разработка диагностического метода РКГ и программного обеспечения регистрации и анализа ВСР [7] с учётом физиологических и патологических изменений регуляции СУ при хронической и острой ишемии миокарда. Диагностический комплекс – КАП-РК-01-«Микор» был создан к 1992 г., зарегистрирован и разрешён к применению для обследования больных (Регистрационное удостоверение № ФС 022б2005/2447-06 Федеральной службы по надзору в сфере здравоохранения). Процесс усовершенствования его программной части постоянен и вероятно бесконечен в связи с изменениями компьютерной техники и операционных сред [7,8,9]. В состав комплекса для точной регистрации ЭКС включён портативный прибор – преобразователь ЭКС – ПРКГ-01 [7]. Такая структура специализированного АПК обеспечивает техническими и программными средствами точную регистрацию ЭКС (1000±3 Гц), такой же анализ ВСР и хранение в оперативной памяти компьютера, что существенно отличается от чувствительности прочих систем. Сочетание разработок трёх направлений – прибор ПРКГ-01, программное обеспечение и клиническое применение – дало положительный результат, применимый в практической кардиологии. Клиническая разработка является самой затратной по трудоёмкости поскольку требует тысяч сопоставлений ВСР со стандартными методами диагностики.

Из доступных методов доказательной медицины клинические разработки в виде диссертационных исследований с применением метода РКГ высокого разрешения были приоритетными за последние 29 лет. Защищено и утверждено ВАК 27 таких работ. Каждая из них, пройдя через 5 ступеней экспертизы специалистами высокого и высочайшего уровней, явилась законченным фрагментом разработки практического применения РКГ. Такой исследовательский подход оказался вполне результативным, обусловливающим развитие клинической нейрокардиологии. И если в настоящее время метод РКГ всё же не приобрёл широкого распространения, несмотря на очевидные результаты и перспективы, причины того не имеют никакого отношения к мало доказательной медицинской науке и связаны с состоянием отечественной медицинской науки. Что же всё-таки уже удалось и доказано, а что ещё предстоит привести к практическому результату в ранней диагностике ИБС представляется в настоящей

9

статье. Перспективы связаны с необходимостью создания лаборатории нейрокардиологии. Такой положительный опыт есть с почти 70-тысячной базой данных 70-ти тысячной базой РКГ-данных больных, обследованных c ВСР-анализом. Лаборатория была учреждена губернатором Челябинской области и просуществовала почти 15 лет с ежедневным обследованием реально существующих пациентов по10-профилям заболеваний. Метод РКГ высокого разрешения.

Специализированный АПК КАП-РК-01(02)-«Микор» и его модификация с мониторным режимом записи для хирургических операций состоят из преобразователя ЭКС ПРКГ-01(02), в котором с помощью схемно-технических устройств неинвазивно в течение 25 минут регистрируется ЭКС с передней поверхности грудной клетки испытуемого пациента тремя электродами с соблюдением специально разработанных условий. Точность регистрации ЭКС в 1 тысячную доли секунды сохранялась в оперативной памяти компьютера и в последующих расчётах волновой структуры ВСР [1, 3, 8, 9]. Использовался статистический и спектральный анализ 260-300 межсистолических RR-интервалов. Также для расчёта соотношения 3-х факторов регуляции пейсмекерной активности СУ – симпатического, парасимпатического отделов автономной системы, а также гуморально-метаболического влияния на медленные потенциалы в СУ – использовалось частотное вычисление соответствующих 3-х энергетических вкладов в общий тотальный спектр колебаний ВСР с применением быстрого преобразования Фурье и спектральных окон Хамминга и Парсена. Спектральное соотношение факторов регуляции в СУ после разложения на частотные гармоники представлено долями (степенями) воздействия на пейсмекеры гуморально-метаболического влияния (VLF%), симпатического (LF%) и парасимпатического (HF%). Как принято в клинической вегетологии, запись ВСР осуществлялась с использованием проб по клинико-экспериментальному методу А.М. Вейна с соавт. [2], характеризующих регуляцию СУ в состоянии покоя (Ph), в пробах Вальсальвы-Бюркера (Vm) преимущественно парасимпатической направленности, гуморально-метаболической Ашнера (pA), симпатической активной ортостатической (Aop) и субмаксимальной нагрузочной (PWC120), включающей все 3 фактора регуляции СУ. В каждой из 5 позиций регистрировалось 260-300 R-интервалов,, всего около 2000 при однократном РКГ--исследовании. Для корректности спектрального результата после физической нагрузки иногда записывалась шестая ритмокардиограмма (Ркг). Анализировались постстимульный результат стационарной Ркг и отдельно периоды стимуляции в пробах по времени достижения максимального изменения RR интервала (tAB), максимальной реакции на стимул в процентах относительно исхода (ΔRR%), а также время восстановления 95% исходного интервала после действия стимула (tr). Данные спектрального анализа – в процентах долей 3-х энергетических вкладов в тотальный спектр. Результат статистического анализа представлен показателями: средние величины продолжительности RR-интервалов на анализируемой Ркг–(RR), их стандартной девиации от среднестатистической величины (SDNN), среднеквадратические отклонения всех волн гуморально-метаболического влияния (σl), симпатического (σm), парасимпатического (σs), средняя амплитуда дыхательной аритмии (ARA) в секундах. Ркг здорового человека представлена на Рис.1. В лаборатории нейрокардиологии проспективно в течение 5-14 лет наблюдались 3233 пациента с ИБС различных форм, из числа которых были отобраны подгруппы без сопутствующей актуальной не кардиологической патологии. В настоящей публикации представлены селективные результаты клинико-параклинических наблюдений с

10

практическим использованием РКГ. Контроль составили 47 здоровых лиц, также обследованных методом РКГ (Рис.1), гендерно и по возрасту совместимых с бальными ИТБС.

Рис.1. Ритмокардиограммы, спектрограммы и средние значения показателей ВСР у здорового мужчины в покое (Ph), парасимпатическом манёвре Вальсальвы-Бюркера (Vm), гуморальной

пробе Ашнера (pA), в симпатической пробе активной ортостатической (Аор), нагрузочной пробе, дозированной по ЧСС 120 (PWC120). Волны ВСР: m- симпатические с периодом > 12 до 30 секунд (с), и частотой в спектральном анализе о т 0,033 до 0,12 Гц, s –парасимпатиче-ские с периодом 2-10

с, частотой 0,12- 0,4 Гц,, гуморально-метаболические периода 30 до 57 с и частоты,033 Гц и <.

Средние показатели ВСР при аутокорреляционном статистическом анализе: RR-

среднее значение всех всех RR-интервалов, SDNN –стандартное отклонение всех RR-интервалов, ARA – средняя амплитуда дыхательной аритмии, σl – гуморально-метаболических, σm – симпатических, σs –парасимпатических волн ВСР. Показатели спектрального соотношения энергетических вкладов долей гуморального (VLF%), симпатического (LF%) и парасимпатического (HF%) влияний в синусовом узле сердца

11

относительно тотального спектра, принятого за 100%. На спектрограммах показаны площади плотности трёх соответствующих частотных диапазонов- высокочастотного парасимпатического –HF%, симпатического низкочастотного – LF%,гуморально-метаболического влияния на сердечный рить, очень низкочастотный – VLF% Воздействие на ВСР названных факторов регуляции сердечных сокращений и спектральныъх долей прямолинейное. Наибольшая спектральная доля фактора соответствует его наибольшему влияниюна ритм сердца. В норме в , без физических и эмоциональных нагрузок автономная симпато-парасимпатическая система должна преобладать над гуморальным влиянием, и спектральная доля парасимпатического отдела должна быть чуть выше симпатического вклада в спектр.Вертикальными стрелками отмечены начало и завершение стимуляции в пробах. Периоды стимуляции среднеквадратичные отклонения имеют показатели: ΔRR – максимальная реакция на стимул; tAB-время достижения максимальной реакции; tr –время восстановления после действия стимула в пробе. На спектрограммах – площади спектральной плотности соответствуют долям трёх регулирующих воздействий в синусовом узле. В пробах Vm, pF,, Fop, PWC 120 максимальная реакция составляет 8-10%,10-12%, 30% 40-50%, соответственно. Время её достижения – 1-2 с, 15-20с, 10-15с, 25-27с, восстановление после действия стииула составляет 8-10 с, 10-12 с, 5-12 с, 57-63 с.

Рассчитывались также показатели, нормированные на исход по формуле Wielder (1957) -nu для учёта «Закона исходного уровня».Для выполнения РКГ-исследования при кардиохирургических вмешательствах была разработана модификация АПК с мониторным режимом записи ВСР во время операции КАП-РК-02-«Микор» [7]. При математической обработке материалов использовалась программа “Stat” с проверкой гипотезы равенства вариационных рядов по критерию Стьюдента, а также критерию Z – аналогу t для непараметрических выборок большого объёма. Для корреляционного анализа применён непараметрический метод Спирмена с пакетом SPSS 12.0. Регистрация и анализ интервалов осуществлялись с точностью до 0.001 секунды. Это составляет наиболее значимую особенность РКГ, отличающую её от других предлагаемых вариантов аппаратно-программного обеспечения метода, в том числе от извлечений интервалов из записей Холтеровского мониторирования, предназначенных для ЭКГи имеющих недостаточную степень дискретизации ЭКС (от 80 до 128 Гц). Многолетний опыт работы с анализом ВСР позволяет утверждать, что для регистрации ВСР- показателей синаптического уровня регуляции и корректного анализа ВСР, оценивающего самый глубокий уровень регуляции необходимы названная точность (1000±3 Гц), корректное программное обеспечение и синхронная с Ркг запись ЭКГ в реальном текущем времени, что обеспечивает взаимоконтроль ЭКГ и РКГ. По решению врача возможно сохранение ЭКГ или её фрагментов для детального анализа, увеличение и уменьшение масштаба записи. Результаты РКГ-исследования.

В 2002 г. Миронов М.В., врач функциональной диагностики [4. 5], изучил с помощью РКГ вегетативную регуляцию СУ при стабильной стенокардии напряжения (ССт, n-171) и сердечной недостаточности (СН, n-123) у 294-х больных ИБС. Выявлено, что ИБС сопровождается снижением периферической автономной регуляции хронотропной функции СУ и ишемическим поражением его пейсмекерных клеток с формированием их функциональной недостаточности. При ИБС в 100% случаев нарушения начинались со снижения амплитуды всеех волн ВСР (SDNN), в том числе и гуморально-метаболических, хотя их физиологическая природа существенно отличается от физиологии автономных флуктуаций. Снижались показатели σl, σm, σs, что

12

предполагало общую причину несостоятельности для всех 3-х факторов регуляции ритма- и для медиаторно-рефлекторной симпато-парасимпатической, и для внеклеточной гуморально метаболической среды, в которую происходит сброс продуктов обмена и эндокринной системы, и излишки медиаторов после квантовой передачи импульсов с окончаний симпатических и парасимпатических нервов клеткам-эффекторам. Такой причиной могло стать нарушение перфузии тканей сердца из-за стеноза венечных артерий. То есть, возникла необходимость исследования самого СУ–главного пейсмекера сокращений сердца. С 2008 по 2010 гг. изучался аутопсийный материал СУ[3]. Найдены дистрофические изменения в СУ, которые подтверждают не автономную денервацию, а результат хронической недостаточности кровоснабжения СУ.

При ИБС в спектральном анализе соотношения влияний 3-х регулирующих ритм фак торов патологически изменяется. Показатель гуморальной регуляции- VLF% (чёрного цвета на спектрограмме) возрастает за счёт снижения автономных показателей LF% и HF%. Здесь нет никакого противоречия. Спектральный анализ позволяет выявить энергетический вклад каждого фактора регуляции сердечного ритма. Вычисление влияния того или иного фактора количество флуктуаций имеет большее значение, чем амплитуда волн ВСР. Гуморальные волны могут иметь наименьшую амплитуду, что мы и наблюдаем в цифровых показателях, но суммируется их количество, которое увеличивает долю гуморальных колебаний, и в процессе формирования ИБС может показать, но не навсегда, при окончательном образовании синдрома автономной кардионейропатии со стабилизацией ВСР можно получить единственное колебание в миллисекундах между началом и окончанием ритмокардиограммы без регистрации автономных волн. И в этом случае спектральная доля гуморального влияния может оказаться предельно максимальной, а двух автономных воздействий предельно низкой. Это вопрос точности записи и анализа, которую мы считаем обязательной и различий статистического и спектрального анализов. В статистическом анализе одинаково важно количество и амплитуда колебаний, а в спектральном соотношении энергетических вкладов ВСР волн относительно тотального спектра принятого за 100%. То есть, результаты двух видов анализа различаются и не имеют прямолинейной совместимости.

В норме в состоянии покоя спектральная мощность парасимпатического влияния на сердечный ритм должна преобладать, что имеет физиологическое объяснение в связи с реципрокным усилении нисходящей парасимпатической регуляции центростремительных импульсов С-волокон, возникающей при раздражении ирритантных, юксткапиллярных и механических рецепторов при каждом вдохе и выдохе.Такое усиление центробежной импульсации по вегусным волокнам обусловлено анатомической близостью нисходящих к сердцу парасимпатических нервов и восходящих к головному мозгу С-волокон лёгочной рецепции. В целом автономная симпато-парасимпатическая регуляция должна преобладать над гуморально-метаболической, поскольку именно она обеспечивает быстрое изменение функций внутренних органов в ежесекундно меняющейся жизнедеятельности.

При хронической ИБС патологические нарушения развиваются в следующей последовательности:

Утрачивается прежде всего парасимпатическое преобладание. При сравнгении Рис.1 нормы с Рис.2 разница визуально заметна –на втором рисунке с ВСР больного ИБС отсутствуют парасимпатические удлинения единичных интервалов. Цифровые показатели –σs , HF% этому соответствуют.

13

Рис.2.Ритмокардиограммы, спектрограммы и средние значения показателей ВСР. Амплитуда волн ВСР существенно ниже нормы. Преобладает симпатическая периодика в спектральном

распределении долей влияния регулирующих факторов наибольшая спектральная площадь в VLF%, LF%. Однако амплитуда флуктуаций исчисляется единицами 4,миллисекунд. Снизились

реакции ВСР на стимулы в пробах. Увеличилось время достижения максимальной реакции и восстановления после действия стимулов, что свидетельствует о ремоделировании тканей сердца.

В последующем снижалась амплитуда всех волн ВСР (σl, σm, σs), в частотном

соотношении из-за названного снижения автономных долей регуляции увеличивалась спектральная доля влияния гуморально-метаболического фактора регуляции – VLF%, снижалась реакция на действие разнонаправленных стимулов в пробах (всех ∆RR), увеличивалось время её достижения (tAB) и восстановления после стимулов (tr) (Рис.2). В 2002 [4, 5] найден РКГ симптом стабильной стенокардии на ритмокардиограмме в виде участка стабилизации ВСР (Рис.3), синхронного с началом и окончанием приступа. В этот момент соседние интервалы отличаются друг от друга в пределах 3,55 ±1,02 миллисекунды и на экране большинства мониторов выглядят линией без волн. Корреляция названного симптома с ЭКГ и клиническими признаками эпизодов ишемии средне и сильно значимо(r=0,537±0,083 и 0,733±0,035, n-171)/ По количеству и продолжительности ишемических эпизодов можно судить о динамике развития ИБС и эффективности лечения. Неманифестированной стенокардии при РКГ-диагностике не существует. Отрицательная динамика соответствует увеличению окклюзии просвета артерий.

14

Рис.3. Ритмокардиограммы, спектрограммы и средние значения показателей ВСР при ИБС и стабильной стенокардии в Aop и PWC120. Ишемические эпизоды стабилизации ВСР указаны

горизонтальными стрелками. На ЭКГ стрелками показана синхронная депрессия ST. Статистические показатели SDNN, σl, σm и σs исчисляются единицами миллисекунд. В

спектральном соотношении долей гуморально-метаболического, симпатического и парасимпатического влияний (VLF%, LF% и HF% ) на пейсмекерную активность синусового узла

наибольшее воздействие принадлежит гуморальному фактору, медленному и недостаточному. (Миронов М.В, 2002, 2006) [4, 5]

Патофизиологически описанная стабилизация ВСР связана с гибернацией пейсмекерных клеток в СУ, которые находятся в состоянии оглушённости при ишемических эпизодах и недостатке перфузии. Если недостаточность кровоснабжения СУ хроническая, то постепенно развивается дистрофия пейсмекерных клеток, и не только, поскольку атеросклероз- системное заболевание. При электронной микроскопии

15

выявлены дистрофические нарушения также в миокарде и проводящих путях сердца [3]. Кульминацией выраженности вегетативной дизрегуляции является полное исчезновение волн ВСР и формирование автономной кардионейропатии (АКН) с высоким риском летальности (Рис 4). АКН описана впервые D.Ewing в 1978г и была объяснёна, как автономная денервация. Вне фармакологической блокады, по нашим данным, этот синдром- следствие тяжелых морфологических изменений, диагностируется методом РКГ и формируется у тяжёлых больных в терминальном периоде. На фоне АКН и соответственно, потери подавляющей эктопию роли СУ возникают кардиоаритмии.

Рис.4. Исходные РКГ, спектрограммы и средние значения ВСР-показателей больного Д. до проведения коронарного шунтирования. В Ph (Ркг1) и PWC120 на фоне АКН и продолжительных эпизодов ишемии (указан горизонтальной стрелкой), зарегистрированы фибрилляция предсердий

(в Vm), желудочковая бигеминия в рА, синоатриальная блокада в начале Аор и суправентрикулярная бигеминия , кторая продолжилась принагрузке на тредмиле.

16

Рис. 5. Ркг, спектрограммы и средние значения показателей ВСР и ЭКГ с острым коронарным субэпикардиальным (1) и субэндокардиальным синдромами (2). В обоих случаях выраженное

снижение волновой структуры ВСР в единицах миллисекунд (LF%, HF%) и длительные ишемические эпизоды (отмечены горизонтальными стрелками). В спектральном соотношении

регулирующих факторов наибольшая спектральная плотность принадлежит очень низкочастотной периодике, соответствующей преобладанию неэффективного гуморального

влияния в СУ(VLF%).МВР- миграция водителя ритма.

Таким образом, хронический ишемический процесс при РКГ с анализом волновой

структуры изменчивости межсистолических интервалов, определяющих частоту ритма сокращений сердца, при высокой точности регистрации и такой же точности анализа сдержит инновационную диагностическую информацию о заболевании от начала первых симптомов дизрегуляции работы сердца в виде снижения амплитуды волн ритма до стенокардии, кардиоаритмий и интервенционного вмешательства

17

Рис. 6 Ритмокардиограмма и ЭКГ у больной с ИБС. Здесь зарегистрированы экстрасистолы, провоцировавшие гемодинамически значимый эпизод ишемии (показан горизонтальной стрелкой)

в виде стабилизации ВСР и последующего усиления влияния гуморально-метаболического фактора регуляции в синоатриальном узле сердца – после ишемического эпизода заметно

преобладание гуморальной периодики.

Выводы

РКГ высокого разрешения при достаточной техническом и программном обеспечении является адекватным методом диагностики ишемической болезни сердца с преимуществами перед стандартными методами диагностики в кардиологии и кардиохирургии.

РКГ содержит информацию о начале ишемического процесса в виде снижения парасимпатической иннервации, затем симпатической и переключения руководства ритмом сердца на филогенетически низкий гуморально-иетаболический уровень , медленный и недостаточный, неспособный обеспечить быструю адаптацию.

Найден РКГ-эквивалент стенокардии, патофизиологически обоснованный, способный оценить динамику ишемических эпизодов, а также эффективность лечения.

Методом РКГ регистрируются кардиоаритмии, автономный аритмогенный фон и гемодинамическое значение каждого эпизода нарушений ритма сердца, что при стандартных методах кардиологической диагностики не выявляется.

Метод РКГ пока не имеет альтернативы и может быть использован во всех разделах кардиологии и кардиохирургии для интранозологической диагностики

18

Список литературы 1. Антюфьев В.Ф., Миронова Т.Ф. , Миронов В.А. Дисфункция синоатриального узла сердца /

В.Ф. Антюфьев, Т.Ф. Миронова, В.А. Миронов. – Челябинск: Рекпол,2009.–197 с. 2. Вейн А.М., Вегетативные расстройства. Клиника, диагностика, лечение./Ред. А.М. Вейн:

МИА, 2003.-750 с. 3. Давыдова Е.В. «Закономерности дизрегуляций пейсмекерной активности синусового узла

сердца у больных профессиональными заболеваниями», докт. дисс., Иркутск, 2011-349 с. 4. Миронов М.В.«Ритмокардиографическое исследование периферической вегетативной

регуляции пейс-мекерной активности синусового узла при ишемической болезни сердца»: дис. … канд. мед. наук / М.В. Миронов. – Челябинск, 2002. – 137 с.

5. 5..Миронова Т.Ф, Миронов В.А., Миронов М.В.. – з. № 2006138539 ; заявл. 31.10.2006. Бюл. № 12 27.04.2008.Патент. № 2322942 Способ дифференциальной диагностики стенокардии /

6. Нохрина О.Ю. Антиаритмические эффекты феномена ишемического прекондиционирования миокарда у больных со стабильной стенокардией напряжения»: дис. канд.мед.наук. – Екатеринбург, 2009. – 135 с.

7. Садовников Н.В., Миронов В.А., Миронова Т.Ф.. Пакет прикладных программ построения и анализа ритмокардиограмм «Микор». Свидетельство РосАПО об официальной регистрации программы № 950230.1996.-50 с.

8. Mironova T., Mironov V. Clinical Analysis of Heart Rate Variability. – Курган: Зауралье, 2000. – 208 с.

9. Mironova T.F.,Antufiev V.F, Mironov V. A.,.Mironov M.V et al. HRV analysis at the coronary artery diseases and angina pectoris. // Recent Patents on Cardiovascular Drug Discovery. Bentham Science Publisher LTD. -USA, 2009. – № 4. – C. 45-54

Bulgarian Society for NDT International Journal “NDT Days” Volume II, Issue 1, Year 2019

ISSN: 2603-4018eISSN: 2603-4646

19

Possibilities of Clinical High-Resolution Rhythmocardiography in Arrhythmology

Tatyana F. MIRONOVA1, Vladimir A. MIRONOV2, Egor A. KOVIN1, Vasily V. GAGIEV2

1FBSI “Yekaterinburg Scientifical-Medical Center of Prevention and Health Protection of Industrial Workers” 2 FBEI HE “Ural State Medical University” of Health Ministry of Russian Federation, Yekaterinburg, Russia,

e-mail: vamironov2013@yandex.ru Abstract Purpose of researches was approbation of the high-resolution rhythmocardiography (RCG) at cardiological clinical arrhythmology. Presented here some results of the cardiac rhythm breaches registration and analyses of heart rate variability wave structures in patients with different diseases. Also here are descriptions for every example. These examples testimonied next results. RCG is informative method and register a number forms of cardioarrhythmias, and also it register an autonomic background of the rhythm breache, connection arrhythmias with autonomic system, hemodynamic influence of the every arrhythmic episode. Predictor of the arrhythmias is reduction of the autonomic regulation and absent of it. RCG is very impotent method for the cardiological arrhythmology. Keywords: rhythmocardiography, heart rate variability, arrhythmias

Основы и диагностические возможности клинической ритмокардиографии высокого разрешения в аритмологии

Татьяна Ф. МИРОНОВА, Владимир А. МИРОНОВ, Егор А. КОВИН,

Василий В. ГАГИЕВ Актуальность

Тема исследования обоснована распространённостью сердечных аритмий, и необходимостью поиска дополнительных специализированных методов и аппаратуры для их актуальной диагностики. Прекрасно разработанный метод анализа электропотенциалов сердца (ЭКГ) имеет ограничения в оценке аритмогенного фона, в том числе автономного, гемодинамического значения нарушений ритма, соотношения их между собой и другие. Совершенствование ЭКГ-аппаратуры идёт по пути разработки многоканальной записи для сокращения времени на ЭКГ-запись, что чревато потерей объёма диагностически значимой информации. Именно из-за ограничений Норманн Холтер в 50-х годах предложил многочасовую мониторную запись ЭКГ (ХМ), довольно затратным по времени на расшифровку и анализ. В последующем анализ ХМ-записей заменён программным обеспечением с потерей её точности до 80-125 Гц из-за объёма хранения в оперативной памяти компьютеров в современной медицине. Обращает внимание также отсутствие дозированности нагрузок в обычной жизнедеятельности человека, что мешает выявлению закономерностей в норме и патологии. Наш опыт работы с ритмокардиографией высокого разрешения (РКГ) и анализом волновой структуры вариабельности сердечного ритма (ВСР) убеждают, что РКГ не имеет выше названных недостатков. Иногда удаётся зарегистрировать ранее не описанные кардиоаритмии (КА). Не умаляя достоинств ЭКГ, можно считать РКГ полезным

20

дополнением к ЭКГ потому, что она ориентирована на исследование автономной (вегетативной) регуляции ритма сердца. Являясь нейрорефлекторной, автономная нервная система обеспечивает быстрое изменение функций внутренних органов, важна и необходима для адаптации и обеспечения жизнедеятельности человека в ежесекундно меняющихся условиях. Высокая точность также оказалась необходимой, так как физиологический уровень исследования синаптический, субклеточный, где происходит квантовая медиаторная передача импульсов с автономных симпатических и парасимпатических нервных окончаний клеткам-эффекторам. В этом преимущество РКГ, и перспектива перехода исследования от органного уровня к более глубокому, регуляторному.

Цель исследования является клиническая апробация РКГ в аритмологии. Методы и материалы

Авторами проводится разработка и медицинская апробация аппаратно-программного диагностического компьютерного комплекса (АПК) высокой тонности (1000±3Гц) для регистрации и анализа ВСР, содержащей диагностическую информацию о вегетативной дизрегуляции сокращений сердца. С нарушений ритма сердца нередко начинаются кардиоваскулярные заболевания (КВЗ), на их фоне формируются, что значимо для ранней диагностики и лечения КВЗ с использованием выбора лечения, оценки выраженности болезни и её динамики. Физиологической основой ВСР является интегральная сократительная функция сердца, потенцируемая пейсмекерными клетками синоатриального узла (СУ) – пейсмекерами первого порядка. СУ в условиях КВЗ имеет многовариантные дизрегуляторные изменения. Поэтому потребовалось не только создание АПК, но и одновременная разработка диагностического метода РКГ и программного обеспечения регистрации и анализа ВСР [1,2, 3] с учётом физиологических и патологических изменений регуляции сердечного ритма. Диагностический комплекс – КАП-РК-01-«Микор» был создан в 1992 г., зарегистрирован и разрешён к применению для обследования больных (Рег. удостоверение № ФС 022б2005/2447-06 ). В состав комплекса для точной регистрации ЭКС включён прибор–преобразователь ЭКС – ПРКГ-01 для устранения разночастотных помех. АПК обеспечивает техническими и программными средствами точную регистрацию ЭКС (1000±3 Гц), таков же и анализ ВСР и хранение в оперативной памяти компьютера. Хотя метод не имеет широкого применения, в том числе из-за контрафактных работ, РКГ в оценке состояния вегетативной регуляции сердечного ритма пока не имеет альтернативы. Положительный опыт обосновывается базой данных почти в 70-тысяч больных, обследованных c ВСР-анализом. С 2001 по 2016 г.г. были обследованы стандартными кардиологическими методами 4020 преимущественно стационарных больных больных с кардиоаритмиями на фоне хронической ИБС в сочетании с сахарным диабетом, патологией гормонопродуцирующих органов, с острым коронарным синдромом, инфарктом миокарда, аритмической формы ИБС, и лиц, перенёсших миокардит различного генеза. Диагнозы верифицировались рутинными методами. Помимо стандартного кардиологического функционального и лабораторных методов, пациентам проводилось РКГ-исследование. Метод РКГ высокого разрешения

АПК КАП-РК-01(02)-«Микор» и его модификация с мониторной записью во время хирургических операций регистрируется ЭКС с передней поверхности грудной клетки испытуемого пациента тремя электродами с соблюдением специально разработанных

21

условий. Точность регистрации ЭКС до 1мс сохранялась в памяти компьютера и в последующих расчётах волновой структуры ВСР [1, 2, 3]. Использовался статистический и спектральный анализ 260-300 межсистолических RR-интервалов. Результат статистического анализа представлен показателями: средние величины продолжительности RR-интервалов на анализируемой Ркг–(RR), их стандартной девиации от среднестатистической величины (SDNN), среднеквадратические отклонения всех волн гуморально-метаболического влияния (σl), симпатического (σm), парасимпатического (σs), средняя амплитуда дыхательной аритмии (ARA) в секундах. Ркг здорового человека представлена на рис.1.

Для расчёта соотношения 3-х факторов регуляции ВСР – симпатического, парасимпатического отделов автономной системы, а также гуморально-метаболического влияния на медленные потенциалы в СУ, последний фактор не учитывается в зарубежных разработках вопреки физиологической классике. Использовалось также частотное вычисление соответствующих 3-х энергетических вкладов в общий тотальный спектр колебаний ВСР с применением быстрого преобразования Фурье и спектральных окон Хамминга и Парсена. Спектральное соотношение факторов регуляции в СУ после разложения на частотные гармоники представлено долями (степенями) воздействия на пейсмекеры гуморально-метаболического влияния (VLF%), симпатического (LF%) и парасимпатического (HF%). Запись ВСР осуществлялась с использованием проб в соответствии с клинико-экспериментальным методом А.М. Вейна с соавт [4], характеризующих регуляцию СУ в состоянии покоя (Ph), в пробах Вальсальвы-Бюркера (Vm) преимущественно парасимпатической направленности, гуморально-метаболической Ашнера (pA), симпатической активной ортостатической (Aop) и субмаксимальной нагрузочной (PWC120), позволяющей оценивать все 3 фактора регуляции СУ (рис.1). В каждой из 5 позиций регистрировалось 260-300 R-интервалов, всего около 2000 при однократном РКГ-исследовании. Для корректности спектрального результата после физической нагрузки записывалась шестая ритмокардиограмма (Ркг). Анализировались постстимульный результат стационарной Ркг и отдельно периоды стимуляции в пробах по времени достижения максимального изменения RR интервала (tAB), максимальной реакции на стимул в процентах относительно исхода (ΔRR%), а также время восстановления 95% исходного интервала после действия стимула (tr). В пробах Vm, рА, Аор, PWC120 в норме максимальная реакция на стимул- ΔRR% была 6-10%, 10%, 30%, 45%, соответственно. Время её достижения – tAB -2-3с, 2-4с,10=12 с, 25-30с, а время восстановления после стимула-4-6с, 4-7с, 15-20с, 87с, также соответственно. Данные спектрального анализа – в процентах долей 3-х энергетических вкладов в тотальный спектр, принятый за 100%. Контролем служили РКГ-данные 47 здоровых женщин и 48 мужчин, отобранных по результатам разнопрофильного медицинского обследования. Представляемый нами метод отличается от разработок физиологов по теме анализа ВСР, проверен клиническими исследованиями в каждом фрагменте работ, соответствует уровню В-1 доказательной медицины. В представляемых наблюдениях вариант аритмий оценивался по клинической форме, межприступной волновой структуре ВСР, изменениям ВСР до и после аритмического эпизода, зависимости частоты и выраженности аритмии в разнонаправленных стимулирующих пробах.

Предлагаемый метод апробирован на кафедре неврологии 1-й Московской медицинской академии им. И.М.Сеченова, Российском университете дружбы народов имени П.Лумумбы, Московском научно-исследовательской институте медико-биологических проблем РАН, Тюменском кардиологическом научном центре (филиале Федерального государственного бюджетного научного учреждения «Томский национальный исследовательский медицинский центр Российской академии наук, на кафедре госпитальной терапии Челябинской медицинской академии. В 1999 году

22

Департаментом научных исследований Министерства здравоохранения СССР используемая технология [2] утверждена в качестве учебного пособия для последипломной профессиональной подготовки врачей. Зарегистрировано 9 патентов на способы и устройства для диагностики с использованием рассматриваемого метода ритмокардиографии, выдано регистрационное удостоверение РосАПО на пакет прикладных программ для компьютерной реализации метода. Результаты исследования

Представляемый метод, аппаратура и программное обеспечение отличаются от разработок физиологов по нескольким позициям. При дискретизации ЭКС в 80-125 Гц (она чаще всего принята в приборах для регистрации ЭКГ), в сравнении с РКГ с 1000±3 Гц, различия оказались существенными.

Рис.1. Ритмокардиограммы, спектрограммы и средние значения показателей ВСР у здорового мужчины в покое (Ph), парасимпатическом манёвре Вальсальвы-Бюркера (Vm), гуморальной

пробе Ашнера (pA), в симпатической пробе активной ортостатической (Аор), нагрузочной пробе, дозированной по ЧСС120 (PWC120).

23

На рис.1. показаны ритмокардиограммы, спектрограммы и средние значения показателей ВСР у здорового мужчины в покое (Ph), парасимпатическом манёвре Вальсальвы-Бюркера (Vm), гуморальной пробе Ашнера (pA), в симпатической пробе активной ортостатической (Аор), нагрузочной пробе, дозированной по ЧСС120 (PWC120). Волны ВСР: m-симпатические с периодом> 0,033-0,12 с, s-парасимпатические с периодом >0,12 до 0,4 с, l- гуморально-метаболические флуктуации с периодом >0 до 0,033 с. Средние показатели ВСР при автокорреляционном статистическом анализе: RR- среднее значение всех RR-интервалов, SDNN –стандартное отклонение всех RR-интервалов, ARA – средняя амплитуда дыхательной аритмии, σl-среднеквадратичные отклонения гуморально-метаболических, σm- симпатических, σs-парасимпатических волн ВСР. Показатели спектрального соотношения энергетических вкладов долей гуморального (VLF%), симпатического (LF%) и парасимпатического (HF%) влияний в синусовом узле сердца относительно тотального спектра, принятого за 100%. Вертикальными стрелками отмечены начало и завершение стимуляции в пробах. Периоды стимуляции имеют показатели: ΔRR – максимальная реакция на стимул; tAB-время достижения максимальной реакции; tr –время восстановления после действия стимула в пробе. На спектрограммах – площади спектральной плотности соответствуют долям трёх регулирующих воздействий в синусовом узле. Периоды стимуляции в пробах оценивались по максимальной реакции на стимул, времени её достижения и времени восстановления после действия стимула.

Рис.2. Ритмокародиограммы пациента со сложными нарушениями сердечного ритма в покое (Ph, в манёвре Вальсальвы – Бюркера (Vm), в пробах Ашнера (рА), активной ортостатической (Аор), с физической нагрузкой (PWC120), дозированной по ЧСС 120. Заметно, что аритмии меняют свои

клинические формы в стимулирующих нагрузочных пробах

24

В Ph начале записи зарегистрирована желудочковая бигеминия (жб), её сцепленные интервалы имеют различную длину, затем нарушения переходят в парасимпатической пробе Vm в желудочковую экстрасистолию (жэ), которая продолжается в течение стимула с прессорным воздействием на глазные яблоки (рА), а также в постстимульный период. В симпатической Аор после перехода в ортостаз аритмии учащаются и формируется суправентрикулярная бигеминия (свб). В нагрузочной PWC во время пробы на тредмиле аритмии прекращаются, после восстановительного периода вновь регистрируется эпизод суправентрикулярной бигеминии (свб). Заметны снижение ВСР и зависимость частоты аритмий от преобладания тонуса симпатического отдела вегетативной системы. При его повышении аритмии становятся реже или вовсе исчезают.

В фармакологии изучение вегетативных эффектов создаваемых лекарств изучено недостаточно. Антигипертензивное действие β-адреноблокаторов объясняют блокадой β-адренорецепторов на пресинаптической мембране окончаний симпатических нервов, что как бы урежает квантовые выбросы норадреналина в синаптическую щель. На самом деле, это происходит благодаря выбросу ацетилхолина, активирующего мускариновые рецепторы той же симпатической мембраны, которые урежают кванты норадреналина в синапсе.

С помощью РКГ можно определить автономный фон, на котором возникают эпизоды КА, и определить его аритмогенное влияние на частоту КА или преформирование в иную клиническую форму (рис.2). На представленном примере желудочковая и суправентрикулярная бигеминия зарегистрированы при умеренной брадикардии в состоянии покоя и отсутствовали в пробе PWC во время физической нагрузки, появились вновь после полного восстановления исходной ЧСС в позе лёжа. Квадригеминия также зарегистрирована в Ph в позе лёжа после постурального перехода в неё и восстановления. Помимо клинической апробации РКГ, преимуществом метода является обнаружение формализованных возможностей оценки гемодинамической значимости эпизодов аритмии. При РКГ-записи это проявляется изменением волновой структуры ВСР перед аритмией, или непосредственно сразу после эпизода нарушения сердечного ритма (рис.3). В 2002 г. выявлен РКГ- эквивалент эпизода ишемии при стенокардии в виде исчезновения волн (стабилизации) сердечного ритма. Патофизиологически это связано с гибернацией пейсмекерных клеток синусного узла (СУ) и их невозбудимостью, или снижением их активации, в условиях недостатка перфузии в СУ. При стенокардии это совпадает с началом и завершением приступа [6].

Средняя величина разницы RR-интервалов фрагмента стабилизации ВСР составила 3,55±1,02 миллисекунды [6].

В примере на рис. 2 показана зависимость частоты нарушений ритма от изменений вегетативного тонуса. Во время физической нагрузки, сопровождающейся повышением симпатического тонуса экстрасистолы стали существенно реже. Запись КА методом РКГ высокой точности облегчает работу аритмолога. Визуально-логически определяются клиническая форма КА, автономный аритмогенный фон эпизодов КА влияние их на гемодинамику. Особого внимания заслуживает синдром автономной кардионейропатии (АКН). Впервые этот синдром описан D.Ewing [7] у больных диабетом 1 типа, 50% из которых умерли в течение 1 года. Автор назвал этот синдром АКН и считал его маркёром вегетативной денервации и предиктором летального исхода. Нам удалось с помощью электронной микроскопии выявить дистрофию СУ, но название, данное D.Ewing, осталось приоритетным. АКН появляется не только при диабете, но у тяжёлых больных различной нозологией. Это было выявлено у реанимационных больных [8]. АКН – предвестник тяжёлых жизнеопасных аритмий, связанных с потерей СУ роли пейсмекера

25

первого порядка, подавляющей, подавляющей патологические эктопические ритмы. Для примера приводим ниже случаи, закончившиеся летально.

Рис.3. РКГ и ЭКГ пациента с ишемической болезнью сердца (сниженная амплитуда волн ВСР из-за хронического нарушения кровоснабжения миокарда, СУ, дистрофических нарушений в

пейсмекерных клетках [5], и стабильной стенокардией напряжения.

Рис. 3 показывает РКГ и ЭКГ пациента с ишемической болезнью сердца

(сниженная амплитуда волн ВСР из-за хронического нарушения кровоснабжения миокарда, СУ, дистрофических нарушений в пейсмекерных клетках [5], и стабильной стенокардией напряжения. После парных экстрасистол (вертикальные стрелки) у пациента зарегистрирован ишемический эпизод в виде участка РКГ без каких-либо волн ВСР. Заметно, что амплитуда волн ВСР снижена в сравнении с волнами на РКГ здорового человека (рис.1).

На рис.4. видны ритмокардиограммы, спектрограммы и математические значения показателей ВСР пациента с диабетом 1 типа и ИБС с синдромом автономной кардионейропатии в виде стабилизации сердечного ритма и отсутствия каких-либо реакций на стимулы в пробах парасимпатической Вальсальвы-Бюркера и симпатической ортостатической, что свидетельствует об отсутствии автономной быстрой регуляции ритма. В этом можно убедиться по статистическим показателям σs и σm, а также по выраженности спектральных долей симпатических и парасимпатических вкладов в энергетический тотальный спектр колебаний ВСР. LF% HF%, спектральные соотношения всех регулирующих ритм факторам свидетельствуют, что флуктуации изменений межсистолических интервалов происходят от колебаний состава внеклеточной гуморально-метаболической среды (VLF%), медленной и не адекватной, что, по данным клинических наблюдений во время выполнения проб, отрицательно влияет на кардиоваскулярную адаптацию. Анализ стабилизированной части РКГ свидетельствует о перманентном синдроме АКН. На этом фоне в конце записи РКГ (верхняя строка и начало второй строки) ритм трансформировался в фибрилляцию с заместительными ритмами.

26

Рис.4. Ритмокардиограммы, спектрограммы и математические значения показателей ВСР пациента с диабетом 1 типа и ИБС с синдромом автономной кардионейропатии.

Рис. 5. Ритмокардиограмма и электрокардиограмма пациентки с исходно низкой амплитудой ВСР во время РКГ-записи с предикторами желудочковой тахикардии, миграцией водителя ритма по

синусовому узлу на фоне брадикардии и фибрилляцией желудочков сердца.

27

На рис. 5 представлена РКГ пациентки реанимационного отделения М, 40 лет, находящейся на лечении по поводу мозгового инсульта. Во время записи РКГ, когда внезапно началось урежение межсистолических интервалов, развитие миграции водителя ритма (66-130 интервалы). После этого регистрируется желудочковая тахикардия. Поскольку больная находилась в реанимации за 57 секунд от появления предвестников фатального исхода осуществлена подготовка к реанимации, на тот период больную удалось спасти. На фоне очередного пароксизма больная скончалась через 2 суток (рис.5). Выводы

Ритмокардиография высокого разрешения может быть полезным методом диагностики нарушений ритма сердца, позволяет оценить гемодинамическую значимость каждого эпизода аритмии, положительную или отрицательную патогенетическую связь нарушений ритма с вегетативной регуляцией кардиоваскулярной системы, оценить риск летального исхода в диагностике и лечении аритмий, изучить индивидуальные особенности вегетативной фармакодинамики и фармакокинетики лекарственных препаратов.

Технология выполнения проста, экономически малозатратна, может быть использована для диагностики аритмий и фона их развития, оценки эффективности медицинских технологий в стационарных и амбулаторных условиях. Литература 1. Антюфьев В.Ф., Миронова Т.Ф., Миронов В.А. Дисфункция синоатриального узла сердца.

Челябинск: Рекпол, 2009. – 197 с. 2. Миронова Т.Ф., Миронов В.А. Клинический анализ волновой структуры синусового ритма

сердца (Введение и атлас ритмокардиограмм). Челябинск, 1998. – 162 с. 3. Mironova T., Mironov V. Clinical Analysis of Heart Rate Variability /– Zauralie publishing-

poligraphic enterprise, Kurgan: 2000. – 208 с. 4. Вейн А.М. Вегетативные расстройства. Клиника, диагностика, лечение. Москва: ГЭОТАР

МЕДИА, 2003.-741с. 5. Давыдова Е.В. Закономерности дизрегуляций пейсмекерной активности синусового узла

сердца у больных профессиональными заболеваниями», докт. дисс. по специальности 14.02.04- медицина труда, Иркутск, 2011-349 с.

6. Миронов М.В. Ритмокардиографическое исследование периферической вегетативной регуляции пейсмекерной активности синусового узла при ишемической болезни сердца»: дис. канд. мед. наук / М.В. Миронов. – Челябинск, 2002. – 137 с. по специальности 14.00. 05.

7. Ewing D.J., Neilson J.M.M., Travis P. New method for assessing cardiac parasympathetic activity using 24-hour electrocardiograms. Br. Heart J. 1984; 52: 396 – 402.

8. Марченко, Ю.М. «Периферические вегетативные дизрегуляции синусового узла у терапевтических больных с высоким риском летального исхода»: дис. канд. мед. наук / Ю.М. Марченко. – Челябинск, 2008. – 166 с.

Bulgarian Society for NDT International Journal “NDT Days” Volume II, Issue 1, Year 2019

ISSN: 2603-4018eISSN: 2603-4646

28

Exophthalmometry: the Improvement of a Technique of Exophthalmos Degree Definition, Taking into Account a Dysplasia of the Skull

Marina ALATORTSEVA1, Sergey KOROTKIH2, Vladimir MIRONOV1,

Eduard GORKUNOV3, Dmitry VICHUZHANIN3

1Military medical service National Guard, Russian Federation, e-mail: malyuk_86@mail.ru 2Head of department of eye diseases, e-mail: micor_mail@mail.ru

3Institute of Engineering Science, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Ekaterinburg, Russian Federation, e-mail: mmm@imach.uran.ru

Abstract This article has been prepared to show the new technique of definition of exophthalmos degree by means of digital analysis, because exophthalmometry is included in a range of inspections of such diseases as Grave`s ophthalmopathy, etc. This technique will also be useful for definition of degree of a dysplasia of scull in total with therapeutic inspections. Keywords: Exophthalmometry, exophthalmos, Grave’s disease, digital analysis, dysplasia

Экзоофтальмометрия: усовершенствование методики определения степени экзофтальма c учетом дисплазии черепа

Марина АЛАТОРЦЕВА, Сергей КОРОТКИХ, Владимир МИРОНОВ,

Эдуард ГОРКУНОВ, Дмитрий ВИЧУЖАНИН 1. Введение

Экзоофтальмометрия как методика измерения выстояния (западения) глазных яблок широко используется офтальмологами с целью диагностики экзофтальма при эндокринной офтальмопатии, а также при опухолях орбиты. Данная методика входит в обязательный перечень обследования пациента с вышеукзанными паталогиями. Степень экзофтальма входит практически во все классификации изменений орбиты, при тех или иных сопутствующих заболеваниях.

Достаточно широко используется экзоофтальмометрия по Гертелю. [1] Исследование проводят в светлой комнате, с помощью зеркального экзоофтальмометра, состоящего из двух четырехугольников, укрепленных на салазках [2] Другими исследователями [3] проведена томография глаз пациентов, страдающих патологией орбиты, полученные данные сравнивались с данными экзоофтальмометрии по Гертелю, различие составило от 0,1-0,87 мм.

Помимо рентгеновских методов экзоофтальмометрии, на наш взгляд могут быть разработаны и успешно использоваться оптические методы с привлечением цифрового анализа. Помимо экзоофтальмометрии, по нашему мнению, данные методы могут использоваться для измерений, отражающих признаки латерализации, как показателя дисплазии черепа. Подобных методик авторами в литературе найдено не было.

Цели исследования: Усовершенствование экзоофтальмометрии, т.е. создание механического прибора в интеграции с цифровым анализом.

29

Задачи исследования: − Проведение первичного офтальмологического осмотра с отбором контрольной

группы. − Оценка офтальмологического статуса представителей контрольной группы

(автрорефрактометрия, пневмотонометрия, визометрия, компьютерная периметрия)

− Разработка программного обеспечения для измерений должных значений глазной щели и соответствующих им относительных размеров глазного яблока, с учетом латерализации, как проявления недифференцированной дисплазии соединительной ткани.

− Сопоставление показателей значений у здоровых людей, с рассчитанными с помощью программы.

2. Материалы и методы

Исследования проводились на базе 5 ВКГ ВНГ РФ, а также кафедры глазных болезней г. Екатеринбург с 2016 по 2018 гг. В исследование включено 250 человек: 82 человека – пациенты терапевтических отделений; 93 человека – пациенты хирургических отделений; 75 человек – пациенты, поступившие на первичное углубленное медицинское обследование в условиях консультативно-диагностического отделения. Критериями отбора пациентов в группу исследуемых служили: отсутствие тяжелых сопутствующих заболеваний, острота зрения не ниже 90 %, отсутствие клиники заболеваний переднего отрезка глаза, внутриглазное давление (14-25 мм рт.ст.)., DP не меньше 60 мм [4]. Критерии исключения: лица с впервые выявленной глаукомой, офтальмогипертензией, миопией средней степени, высокой осложненной миопией, миопическим конусом. По строгим критериям в группу исследования было включено 22 мужчин 22-40 лет (32 8± лет). В последующем, из исследования исключены два человека вследствие развития конъюнктивита.

Офтальмологическое обследование состояло из визометрии, авторефрактометрии, пневмотонометрии, компьютерной периметрии. Данные виды обследований позволили отобрать абсолютно здоровых индивидов для проведения исследований.

При статистистическом анализе экспериментальных данных в программе Excel выполнен отсев грубых погрешностей измерения (аномальных значений), в выборке «Кость – Слезная железа» отсеяно одно значение. Для отсева погрешностей воспользовались методом вычисления максимального относительного отклонения. 3. Результаты и обсуждение.

Отобранная по строгим критериям группа исследования включала в себя здоровых с правосторонней латерализацией. Гистограмма частот распределения показывает найденную относительную величину, которая позволяет рассчитать норму. Результаты обследований представлены на рис. 1 и рис. 2.

Согласно результатам измерений экзоофтальмометра и анализа экспериментальных данных в программе Excel отмечены признаки латерализации глазных щелей черепа справа.

30

Рис. 1. Распределение размеров «кость-слезная железа» в мм oculus sinister

Рис. 2. Распределение размеров «кость- слезная железа» в мм oculus dexter

4. Выводы

В качестве альтернативы рентгеновским методам экзоофтальмометрии, совместно с Уральским Государственным медицинским университетом и Институтом машиноведения УрО РАН, предложен оптический метод с привлечением цифрового анализа. Помимо экзоофтальмометрии, метод также опробовали для измерений, отражающих признаки латерализации, как показателя дисплазии черепа. С помощью метода было проведено офтальмологическоге обследование контрольной группы пациентов, а также проведен анализ офтальмологического статуса и проанализированы результаты расчетов, указывающих на особенности правосторонней латерализации при дисплазии черепа. References 1. Elizabeth A., M.D. Bradley. Thyroid eye disease clinic – The Mayo Clinic Model.

https://www.mayoclinic.org/medical-professionals/endocrinology/news/thyroid-eye-disease-clinic-the-mayo-clinic-model/mac-20431277#

2. Jeon H.B., D.H. Kang, S.A. Oh, J.H. Gu. Comparative Study of Naugle and Hertel Exophthalmometry in Orbitozygomatic Fracture. Journal of Craniofacial Surgery, Vol. 27, Issue 1, 2016, pp. 142-144.

3. Afanasyeva D.S., M.B. Gushchina, M.Y. Gerasimov, S.A. Borzenok. Computed Exophthalmometry is an Accurate and Reproducible Method for the Measuring of Eyeballs’ Protrusion. Journal of Cranio-Maxillofacial Surgery, Vol. 46, Issue 3, 2018, pp. 461-465.

4. Aslankurt M., L. Aslan, A. Aksoy, M. Ozdemir, S. Dane. Laterality Does Not Affect the Depth Perception, but Interpupillary Distance. Journal of Ophthalmology, Vol 2013, 2013, pp. 1-5.

5. Виноградская О.И., П.А. Кочетков, Д.В. Липатов, В.В. Фадеев Эндокринная Офтальмопатия – Междисциплинарный Подход. Клиническая и Экспериментальная Тиреоидология, Т. 6, № 4, 2010, сс. 46-51.

Bulgarian Society for NDT International Journal “NDT Days” Volume II, Issue 1, Year 2019

ISSN: 2603-4018eISSN: 2603-4646

31

Development and Verification of Software and Hardware Complex of Inertial System for Estimation of Human Motion Parameters of Limbs

Serhii LAKOZA

Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute, Ukraine

Phone: +38 044 204-85-02, Fax: +38 044 204-85-02; e-mail: s.lakoza@kpi.ua Abstract The article shows algorithmic and technical issues for the development of an inertial system for estimation of human motion parameters. These type of systems are widely used in medicine for the diagnosis of diseases of the human musculoskeletal system, as well as for monitoring human motor activity during rehabilitation. Such systems are actively used to analyze the characteristics of the sportsman’s movements. The article presents a functional diagram of the developed system, shows the choice of algorithms for attitude and heading reference system for a separate inertial measuring unit, reflects the issues of calculating the human movement’ kinematic parameters. Considerable attention is paid to the issues of increasing the sustainability of the orientation assessment from the action of external disturbing factors. The paper proposes an original channel separation method for attitude and heading reference system. An important component of the technical complex is the equipment that makes it possible experimentally verify the correctness of the proposed algorithms. For this purpose, a reference stand-simulator of the upper limb has been developed. Study presents stand-simulator kinematics and discusses elements which allow its realization. The described technical complex allows to carry out all the necessary preparations and works to create and verify the correctness of the inertial system for estimation of human motion parameters. Keywords: AHRS, inertial sensors, human motion parameters. 1. Introduction The perspective direction of using the stropdawn inertial navigation system (SINS) is the research of the biological objects movement characteristics, also of human motion. Such systems for motion parameters estimation which use several inertial measurement units (consists from micromechanical sensors such as gyros, accelerometers and magnetometer) are called Inertial System for Estimation of Human Motion Parameters (ISEHMP). ISEHMP is widely used in animation and sports. Recently ISEHMPs are more widely used in medical applications [1]: diagnostics of neurological diseases of movements; assessment of treatment quality; rehabilitation after injury in violation of motor functions of a person; movement registration of a person. Various clinical evaluation methods are used to assess the degree of motor activity disruption [2]. However, these methods are subjective and rude, because they are based on physician’ assessments by senses. Clinical methods can’t record minor changes in patients motor activity which can vary considerably during the day [3, 4] This can only be done with the help of mobile sensor systems such as ISEHMP. Among other application areas, ISEHMP is used in professional sports to monitor, analyze and improve sports results. Also, ISEHMP is widely used in the virtual reality for positioning and managing the helmet orientation, for the gestures recognition in games [5]. ISEHMP can be used independently for the study of human motion in natural conditions when person performing a wide range of movements. The article is devoted to the development tasks of ISEHMP and algorithms for its functioning with increased noise immunity and accuracy.

32

2. Previous works in field of limb’s attitude estimation algorithms for use in ISEHMP To estimate the kinematic parameters of human motion, inertial systems use information about the body segments orientation on which they are installed. In this case, to calculate the joint angles, it is necessary to accept a certain biomechanical skeleton model and to associate the IMU location with the corresponding segment of the model [4]. In many research, the skeleton model is mainly used to calculate the positions of the end nodes of the skeleton. In some studies, the ability to perform correction of movement estimation based on the biomechanical skeleton model is indicated, but none of the authors did so in their works. The correction based on the skeleton model is mainly used at the stage of the initial alignment and calibration of the model parameters. Term “calibration” of ISEHMP refers to determining the length of the skeleton segments and determining the orientation of the blocks relative to the segment coordinate systems (CS) during the execution of special procedures [6]. For inertial and complex inertial systems, information for performing motion parameters estimation is the information about attitude of a separate IMU. Attitude refers to the IMU orientation in the global CS, which is determined by the type and accuracy of the used sensors. IMU attitude relative to the global CS is described by one of kinematic parameters: Euler angles, direction cosine matrix (DCM) or the quaternion. Quaternions are the most convenient and least cost-effective for use in modern algorithms. Algorithms for estimating the IMU orientation are algorithms of systems, which in English tradition are called AHRS (attitude and heading reference system) [7]. Studies [8] describe and analyze the current state of methods for assessing the objects orientation. These papers describe the general approaches that are used to construct orientation evaluation algorithms. The analysis of the methods of attitude estimation is carried out from the point of optimal estimation theory view, ensuring the convergence of the algorithm results and numerical resource costs for the implementation of the methods. According to [8], filtration is performed by combining measurements with their models. These models can be obtained in different ways, the most widely used is the kinematic prediction model which uses gyro signals. This model leads to the creation of complementary filters. Another type of system model is a kinematic model that takes into account the dynamic characteristics of the object. However, such model always contains parameters that are not defined exactly. This fact is taken into account by using different noise laws of sensitive elements, estimating the parameters of random perturbation, methods of adaptation of the basic settings of the described methods. However, these works paid little attention to the influence of methodological algorithms errors caused by the peculiarity of physical principles on which sensitive system elements operate. The ISEHMP algorithms are characterized by static and dynamic precision. Moreover, accuracy is not indicated for the motion capture system, but for the algorithm of attitude estimation of a separate IMU. The accuracy of the static systems is up to 1 degree at yaw angle, but 0.2-0.5 degrees at the roll and pitch angles. The dynamic accuracy of these systems is 2 degrees (RMS) [9]. At the same time, the specified accuracy on the yaw is guaranteed only for a homogeneous magnetic field. The magnetic channel is also exposed to magnetic perturbations from electrical equipment, permanent magnets, and from soft and hard iron effects. In order to eliminate the influence of soft and hard magnetical materials in such systems, an appropriate magnetic calibration is implemented at the installation place. To reduce errors from random magnetic perturbations, special algorithmic methods have been developed which allow flexible gain change of the correction signal from magnetic channel data [10]. It is known that the existing systems have the highest accuracy in a static mode in a homogeneous magnetic field [11]. The motion of the object introduces estimates of the

33

orientation of the object as kinematic and dynamic errors at the source. That is, in the dynamic mode, the accuracy of the system is worse [9]. 3. Development of algorithms and hardware for ISEHMP The number of IMU systems for estimating the movement parameters of the major segments of the human body is 17. Systems recording the movement of the upper and lower limbs contain from two to 10 IMU. A system-level minimum of two IMUs can be used to evaluate the motion parameters of a hand without wrist. 3.1. Biomechanical model of human skeleton The human body is a complex system that consists of over 200 bones, 600 muscles and innumerable nerve fibers that control their movement. For most practical applications, it is not possible to use a model that takes into account all components. In developing a system for assessing the kinematic parameters of human motion, one must abstract human motion and simplify it by using a skeleton model [12].

In this paper, we will use a biomechanical model of a skeleton consisting of 18 segments-bones and 15 joints (Fig. 1) to describe the human motion. A human skeleton can be represented as a system of rigid segments that are connected in chains by joints. Rigid segments are called chain links, and each two adjacent links are joined by joints. The elbow, as a rule, is modeled as a hinge with one degree of freedom. This allows you to flex and extense your elbows. The supination and pronation of the forearm are controlled by the movement of the radial-elbow joint, which is between the elbow and the wrist. The shoulder and shoulder belt are one of the most complex joint groups of the human body. This complex joint is simplified using a spherical joint with three degrees of freedom. This allows the hand to carry out movement flexion/extension, abduction/adduction of the shoulder. The shoulder joint can be

rotated by hand from or to the center of the body (internal/external rotation). The process of constructing a hierarchical model of a skeleton of the human body is to determine the key joint nodes of the human body. In order to obtain data on the movement of 15 joint nodes, shown in Fig. 1, the system should consist of 17 IMUs. IMUs are located at the relevant nodes in which algorithm will estimate the movements of specific segments and the corresponding joint. The model of a human skeleton has a structure of a collisional chain. In the biomechanical model, bone segments are joined by joints. The relation between the segments motion parameters is convenient to describe as the relation of the parent-child between nodes of the model. To describe the motion of a skeleton, you need to select the root

Fig.1 Biomechanical model of the human body with IMU positions and segment’s coordinate systems

34

node-joint. If you want to perform a description of the motion of the whole body, then such a node is pelvis node. This node is marked 0 in fig.1. Table 1 shows the description of joints, their degrees of freedom, parent segments and the type of motor activity. 3.2. Joint angles and calibration of ISEHMP An important aspect of using ISEHMP is the assessment of the values of joint angles. The information on the basis of which the calculation of the joint angle is performed, are data about the segments orientation. In the developed system for calculating joint angles, the DCM data of complex algorithms for the attitude algorithm work of the one IMU, which are installed on the human body segments, and assumptions about the biomechanical skeleton model, are used. This allows to calculate joint angles in accordance with the recommendations of the International Society for Biomechanics [13]. Table 1. Description of segments and joints of a biomechanical model of a human skeleton

Joint name Denotation on fig.1

Parent segment Biomechanical type joint-hinge

Restrictions of human motor activity (degrees)

Back joint * 1 -- -- 0-50 Cervical 5 The backbone

of the chestSpherical hinge 0-70

Shoulder 2r, 2l Clavicular segment

Spherical hinge 0-180

Elbow 3r, 3l Shoulder bone

Cardan hinge 0-145

Wrist 4r, 4l Forearm bone Cardan hinge 0-80 Pelvis 6r, 6l Pelvis node Spherical hinge 0-180 Knee 7r, 7l Thigh Cardan hinge 0-140 Ankle 8r, 8l Ankle bone Cardan hinge 0-45

Clavicle 1 Spine Cardan hinge 0-30 * Complex joint, which reflects the angular orientation of the back relative to the pelvic knot. Joint angle is defined as orientation of the distal segment gb

dC relative to the proximal gbpC :

( )T gbgbdp p dC C C= . (1)

We will write the formulas for parametrization of the shoulder joint angles using the Euler-Krylov's angles. Kinematics of relative shoulder movement is shown in Fig. 2. In order to find the relative orientation of the shoulder, you need to know the attitude of the systems 1 1 1X Y Z and 2 2 2r r rX Y Z in the navigation coordinate system, in order to guarantee the uniqueness of the angle orientation of each IMU. The matrix describing the relative position is determined according to formula (1). Angles shown in Fig. 2, can be defined as follows:

( ) ( ) ( )1 1 11 2 3

1 1 1

2,1 3,1 3,2; ; .

(1,1) (1,1) (3,3)dp dp dp

dp dp dp

C C Cq arctg q arctg q arctg

C C C= − = =

Similarly, you can write formulas to determine all other joint angles.

35

As already mentioned, for the estimation of the kinematic parameters of human motion, each of the IMUs of the ISEHMP must be installed on a definite segment of the body. However, CS of IMU can’t be perfectly aligned with the CS associated with the body segment. In addition, for the precise estimation of the joint angles it is necessary to use information on the number of degrees of freedom of the joint of the biomechanical model. This is due to the fact that the joint angles are defined around the functional visage joints. To reduce this kind of error, the "native calibration" procedure is used. 3.3. AHRS algorithms for estimation of limb’s orientation The basic algorithms by which the orientation of the segments of the human body is evaluated by ISEHMP are algorithms of free platform-oriented vertical axes. These algorithms are also needed for the initial alignment of ISEHMP, which is based on the use of the integrated SINS algorithm invariant to accelerated motion of the limbs. Next, in this part we will consider the main proposed novelties in the algorithm of the platform-free course of the vertical, which uses as a kinematic parameters a matrix of directional cosines

bnC . The kinematics of a free platform illumination is shown in Fig. 3.

In the first stage of the algorithm, the current value of the DCM 1bnkC + is calculated from the

data of attitude in the previous step bnkC , numerically integrating the Poisson equation with the

gyro data. At the second stage correction of DCM 1bnkC + is performed according to data of

accelerometers and magnetometers. Details of used AHRS algorithm are described in the author's paper [14]. Let's consider in more details the principle of AHRS channels correction separation. Accelerometer signals are used to correct roll and pitch angles, and magnetometers should be used to correct the yaw angle. Information about the yaw contains in horizontal component of the Earth magnetic field induction (EMFI), and therefore when forming correction from magnetometers data we need to get rid of the influence of the vertical component. In this algorithm you can get rid of the vertical component of EMFI without a priori information about it and generate a correction signal only on the basis of data on the horizontal component of EMFI. The possibility of such implementation is most easily demonstrated using DCM sequential transitions for kinematics on Fig. 3:

( )0 0 0 1 1 1 2 2A

zx y z x y z x y z XYZϑ γξηζ ⎯⎯→ ⎯⎯→ ⎯⎯→ .

Fig.2. Shoulder’s Kinematics.

1q – abduction/adduction;

2q - shoulder flexion-extension;

3q – rotation

Fig.3. AHRS kinematic

36

Each such transition from one CS to another can be described by elemental DCM: AC ξ η ζ Cϑ x1 y1 z1 Cγ x1 y1 z1

x1 cosA -sinA 0 x2 cosϑ 0 sinϑ X 1 0 0 y1 sinA cosA 0 y2 0 1 0 Y 0 cosγ sinγ z1 0 0 1 z2 -sinϑ 0 cosϑ Z 0 -sinγ cosγ

Summary rotation is recorded as bn

AC C C Cγ ϑ= . To explain forming a correction signal, it is

necessary to pay attention to the CS 1 1 1x y z and the DCM AC (transition between ξηζ and

1 1 1x y z ),C C Cϑγ ϑ γ= (transition between 1 1 1x y z and XYZ ). From the above formulas for DCM

it is clearly seen that the matrix AC depends only on the yaw angle, and the matrixCϑγ – the

roll and pitch. And so CS 1 1 1x y z is rotated relative to the vertical axis ζ at the yaw angle. So it is necessary to achieve such forming of correction signal that these two components of the turn are evaluated independently. The first stage of the correction is performed on signals accelerometers, and therefore after this stage, you can estimate the component of the rotation Cϑγ . Using this information, it is necessary to redesign the magnetometers measurement signal

into the system 1 1 1x y z . In this CS, the signal will consist of two horizontal projections of the magnetic field 1xH and 1yH , and one the vertical component 1zZ . This vertical component is the same as in the original coordinate system ξηζ . With such a redesigned vector, we can

create a signal from magnetometers ( )1 1 1 1 1 1; ;T

x y z x y zm H H Z= , which depends only on the

information horizontal component of EMFI. That is, for this it is necessary to reset the third component of the vector 1 1 1x y zm – 1zZ . Then we get the corrected vector of EMFI

measurements ( )кор1 11 1 1 ; ;0

Tx yx y zm H H= . To perform the correction of the above algorithm, you

need to have measurements in the body CS. Therefore, we will form an adjusted magnetometer signal, redesigning кор

1 1 1x y zm into body CS:

( )кор кор1 1 1

TXYZ x y zm C mϑγ= . (2)

An experimental verification of the accuracy of the AHRS in the static was performed. Absolute error of determination of pitch angle in the whole range of working angles – 0.4 degrees, errors of estimation of the angle of the roll – up to 1.5 degrees. The mean square error of the system throughout the range of angles is 0.86 degrees. Absolute error in determining the angle of the course throughout the range of working angles – 0.8 degrees. 3.4. Complex SINS algorithm for human motion parameters estimation The initial information of the system of estimation of human movement parameters is the linear velocities and moving segments, angular velocities and accelerations of segments, joint angles. These data are obtained using a biomechanical skeleton model and data from the IMU. Information about angular velocity of segments is obtained directly from the angular velocity sensors of the corresponding IMU. The acceleration of a segment can be calculated by subtracting the projections of acceleration of the force of gravity from the accelerometer displays of the IMU. That is, you need to know the orientation of the segment in the navigation CS. To determine the segment attitude, its linear velocities and displacements in the developed ISEHMP, the algorithm SINS in the geodetic ENU CS is used.

37

A generalized scheme of a complex data processing algorithm based on the data of the SINS algorithm and the signals obtained on the basis of the biomechanical model, for a segment is shown in Fig. In this scheme, a closed circuit of SINS complexation based on an aperiodic filter is used. Differential signals EiVΔ , NiVΔ , iVζΔ , EipΔ , NipΔ , ipζΔ are passed through low path

filter with transfer function ( ) 11

W pTp

=+

, and then filtrated data EiVΔ , NiVΔ , iVζΔ , EipΔ ,

NipΔ , ipζΔ are used in SINS algorithm.

On Fig.4 are used next denotations: gbiC , iω – DCM for current IMU algorithm and angular

rate of current segment; gbjC , jω – DCM for another segment IMU and its angular rate; sc

EiV , scNiV , sc

iVζ , scEip , sc

Nip , scipζ – segment’s linear velocity and displacement which are got using

biomechanical skeleton model; nEiV , n

NiV , niVζ , n

Eip , nNip , n

ipζ – segment’s linear velocity and displacement which are got using SINS algorithm for data of IMU installed on current segment. Corrective influences can be shaped in different ways. In this paper, it is proposed to use all available differential signals.

Fig.4 The scheme of data processing in complex algorithm for one IMU of ISEHMP

Formation of correction signals based on biomechanical skeleton model. Consider the question of forming correction signals for the BINS algorithm based on the skeleton model. We describe the formation of a position signal using a biomechanical model on the example of the right lower limb. Movement of the end node of the right thigh:

7 6 6 76gb

r r r rrP P C l −= + ⋅ , (3) where 6rP – displacement of node 6r of right part pelvis (father’s segment);

[ ]6 7 6 70 0 Tr r r rl l− −= − – vector of segment length in bounded CS; 66 6

gb gbrCLBRr rIMUC C C= ⋅

– DCM of right thigh orientation МНК in navigational CS; 6gbrIMUC – DCM of IMU orientation

installed on right thigh; 6rCLBRC – calibration matrix which describes IMU’s axis 6 6 6r r rX Y Z misalignment from segment anatomical CS. For other segments, this procedure will be similar, because it is based on the use of relationships between segments such as the parent-child. We will show the finding of a linear velocity signal only for the right thigh:

( )7 6 6 6 76gb

r r r r rrV V C lω −= + ⋅ × , (4)

where 6 0rV V= – pelvis node’s absolute velocity (father segment) in navigation CS which is

38

calculated in SINS algorithm, or is provided by external reference system or equals 0 in case of immovable pelvis. Using the biomechanical model of the skeleton, you can obtain information about the displacement and linear velocity of the elements of the model. These signals allow to calculate correction signals and use them in the complex algorithm (Fig. 4). 3.5. Stand-simulator of the upper human limb This part is devoted to experimental full-scale validation of developed algorithms for ISEHMP with consideration of two variants of system construction: ISEHMP using algorithms AHRS and ISEHMP using the complex algorithm (see 3.4). The algorithm presented in section 3.3 was used as the AHRS algorithm. To test the accuracy of the developed systems and the correctness of the embedded algorithms, a special stand was created that simulates the upper limb (Fig. 5.a). Its kinematic drawings are shown in Fig. 5.b. The Stand-simulator consists of one immovable and two moving segments. The fixed segment is designed to simulate the back and is firmly fixed to a certain base (table, wall, etc.). Two other segments (having a square cross-section) implement the shoulder and forearm, the full lengths of these segments respectively – 0.4 m and 0.295 m. These segments are connected by means of four single-hinged joints, and allow to realize the angular motion of the stand-simulator. This stand has 4 angular degrees of freedom, which are marked on the drawing as 1q , 2q , 3q, 4q .,. It is designed to simulate the shoulder and forearm movements, and the shoulder kinematics is reproduced only in the angles of flexion-extension ( 1q ) and rotation ( 2q ). The relative angular motion of the forearm is completely reproduced: joint angle of flexion-extension of the forearm – 3q , joint angle of the forearm rotation - 4q . In order to evaluate the accuracy of the system, it is necessary to have the ability to specify or measure, with a certain reference device, with the high precision the parameters that should be evaluated by the ISEHMP. These output parameters are: Euler-Krylov's corners, joint angles, linear velocities and displacements. It should be noted that the measurement of angular motion in the stand considered is the easiest to implement technically, and it is possible to achieve the required accuracy of measuring joint angles.

Two-phase incremental encoders LPD3806 600BM G5 24C (E1 and E2) having 600 pulses per revolution and 2400 rotating states, respectively, were used to measure the rotation angles of each segments. The resolution of the rotation angle measurement of the stand is 9 minutes, and the frequency of the poll of each encoder is 5 kHz. This allows to measure without span of pulses of rotation of segments with an angular rate up to 720o s .It which significantly exceeds the required dynamic range of gyro measurement and the dynamic range of object motion where IMU installed. The measurement of the angles of bending-extension of the segments of the stand is realized with the help of absolute meters – the potentiometric angle sensors (П1 and П2). To ensure high accuracy, you need a stable power supply and

FIg.5а. Stand-simulator of upper

limb

Fig.5b. Kinematic drawing of upper limb

Stand-simulator

39

a high-precision analog-to-digital converter (ADC). As an ADC, 16-bit precision delta-sigma ADS1115 from Texas Instruments was selected. This ADC contains 4 channels with a multiplexer and can perform conversions at up to 860 conversions per second per channel. 4. Experiments A series of experiments were carried out on the slow and fast movements of the stand-simulator segments. This angular motion was directly measured by the angle sensors of the stand, as well as calculated ISEHMP using two different algorithms that were described in part 3. ISEHMP has used three IMU of ADIS16400/ADIS16405 from Analog Devices. For the correct operation of ISEHMP, using the algorithm AHRS, using a complex algorithm to perform "body calibration ". That is, the combination of CSs bounded with the IMU, with axes connected with the human body segments according to the model of the exo-skeleton (in our case with the CS, connected with the segments of the stand). In our experiment, the information that was used for "body calibration" is the a priori knowledge about the orientation of the stand-simulator at the beginning of the experiment. The fact that the initial values of the joint angles, evaluated by ISEHMP with the use of both algorithms, are close to 0 . The correctness of the body calibration is confirmed by this. On Fig. 6-8 shows the results of the conducted experiment, which consisted in the execution of fast random movements of both segments simultaneously. The graphs of the change of joint "shoulder" angles during this experiment, recorded by the stand-simulator sensors, are shown in Fig. The comparison of the accuracy of the work of the two ISEHMP was performed by the selected characteristic points on the joint angles. The joint angles, which were evaluated by ISEHMP using the AHRS algorithm, are shown in Fig. 7, and using the complex algorithm, are shown Fig. 8. From the obtained results it is evident that at fast motion of the stand-simulator, the ISEHMP with a complex algorithm has lower values of errors, especially in the rotation angles of the segments. For ISEHMP with the AHRS algorithm, as in the slow experiment, larger errors are characteristic for large values of joint angles. In this study, the error of the ISEHMP with the AHRS algorithm begins to vary significantly (see point number 7 for the rotation of the shoulder – more than 4 , see point number 3 for the rotation of the forearm – more than 9 ) from the error of the ISEHMP with a complex algorithm at rotation angle greater than 40 . Regarding the errors of the estimation of the angles of flexion/extension of the stand segments, the ISEHMP with the AHRS algorithm does not significantly inferior to the ISEHMP with a complex algorithm. It is also necessary to note that graphs of joint angles obtained from ISEHMP with a complex algorithm represent a better form of reproduction of reference measurements, especially in the vicinity of the point number 6 of the rotation pattern of the forearm. With a rapid motion, we can observe the tendency that the errors of the ISEHMP with the complex algorithm remained at the level of slow stand motion, and the errors of the system with the algorithm AHRS increased. This is due to an increase in the rates of acceleration that operate on the IMU. And as it was shown in this section, the AHRS is very sensitive to accelerations and has significant errors. The complex algorithm is much less sensitive to this kind of interference, because it uses the SINS algorithm, which is invariant to relative object accelerations. It is also necessary to say that the graphs of the joint angles fully adequately reflect the initial movement of the stand.

40

Fig.6. Joint angles of stand-simulator shoulder

Fig.7 Joint angles of ISEHMP using the AHRS algorithm

Fig.8 Joint angles of ISEHMP using a complex algorithm

5. Conclusions The article highlights the main stages of methodological and algorithmic support for the development of ISDNL. The paper proposes several original solutions that allow to increase the accuracy and impedance of algorithms of such systems, namely: the use of the developed principle of separation of channels of correction AHRS and the use of a complex algorithm in the work of ISEHMP. The article proposes and formulates the principle of separation of channels for AHRS. The practical realization of this principle allows to exclude the influence of measurements of magnetometers on the attitude estimation of the AHRS algorithm in relation to horizontal plane. The complex algorithm for an inertial system for estimating human movement parameters is invariant to accelerated limb movement, correction signals for velocity and displacement are formed on the basis of a biomechanical model of a human skeleton. The implementation of the complex algorithm has allowed to reduce the errors of the ISEHMP in the performance of human movements with a significant level of acceleration, in comparison with a similar ISEHMP, which uses the algorithm AHRS.

41

The article shows the results of field tests on the own developed stand-simulator of the upper limb. The results of the tests confirmed the correctness and efficiency of the developed algorithms of ISEHMP. The stand-simulator sensors are capable of measuring the angles of rotation of the segments with an accuracy of 9 angular minutes, flexion/extension – 2 angular minutes. Comparison of the experimental results of the ISEHMP in various modes of the object showed the advantages of a developed integrated algorithm with correction on a biomechanical model of a human skeleton. This is especially effective for estimating parameters of fast objects movements. The use of complex algorithm in ISEHMP in comparison with the use of AHRS algorithm allows to reduce system errors on 5-6 degrees in measuring rotation angles with significant range. Also, for fast movements, the accuracy of the measurementof stand flexion/extension increased by 1.5-2 degrees. References 1. El-Gohary, M. A. (2013). Joint angle tracking with inertial sensors. Dissertations and Theses. Paper

661. http://pdxscholar.library.pdx.edu/open_access_etds/661 2. González-Villanueva, L., Cagnoni, S., & Ascari, L. (2013). Design of a wearable sensing system

for human motion monitoring in physical rehabilitation. Sensors, 13(6), 7735-7755. 3. Garofalo, P. (2010). Development of motion analysis protocols based on inertial sensors (Doctoral

dissertation, PhD thesis, University of Bologna). 4. Chen, X. (2013). Human motion analysis with wearable inertial sensors. PhD diss., University of

Tennessee. http://trace.tennessee.edu/utk_graddiss/2407. 5. Все о MOCAP [Електронний ресурс]. – Режим доступу:

http://www.render.ru/books/show_book.php?book_id=531 6. Yang, H., & Ye, J. (2011, August). A calibration process for tracking upper limb motion with inertial

sensors. In Mechatronics and Automation (ICMA), 2011 International Conference on (pp. 618-623). IEEE.

7. Roetenberg, D. (2006). Inertial and magnetic sensing of human motion. University of Twente.PhD thesis.

8. Crassidis, J. L., Markley, F. L., & Cheng, Y. (2007). Survey of nonlinear attitude estimation methods. Journal of guidance, control, and dynamics, 30(1), 12-28.

9. MVN Suits: Biomech and Awinda [Електронний ресурс]. – Режим доступу: https://www.xsens.com/products/xsens-mvn.

10. Roetenberg, D., Luinge, H. J., Baten, C. T., & Veltink, P. H. (2005). Compensation of magnetic disturbances improves inertial and magnetic sensing of human body segment orientation. IEEE Transactions on neural systems and rehabilitation engineering, 13(3), 395-405.

11. Feng, M. Q. (2006). Sensor Suits for Human Motion Detection (No. UCI-CEE-03-F03). 12. Chen, P. Z., Li, J., Luo, M., & Zhu, N. H. (2015). Real-Time Human Motion Capture Driven by a

Wireless Sensor Network. International Journal of Computer Games Technology, 2015, 4. 13. Wu, G. et al. (2002). ISB recommendation on definitions of joint coordinate system of various joints

for the reporting of human joint motion—part I: ankle, hip, and spine. Journal of biomechanics, 35(4), 543-548.

14. Лакоза С.Л. Побудова курсовертикалі з розділенням каналів корекції. Частина 2: Алгоритми корекції / Лакоза С.Л., Мелешко В.В. // Вісник НТУУ "КПІ". Серія Приладобудування. – К, 2014. – Випуск № 48. – с.2-11

Bulgarian Society for NDT International Journal “NDT Days” Volume II, Issue 1, Year 2019

ISSN: 2603-4018eISSN: 2603-4646

42

The Method of Recording Information in the Iconic Optical-Electronic System of Non-Destructive Testing

Diana PIVTORAK

Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute, Kyiv, Ukraine,

e-mail: p_diana@i.ua Abstract A method for registration a two-dimensional image of a photographic control object with a large range of brightness had been proposed. The method allows to form an HDR image from a series of LDR images obtained as a result of exposure bracketing or bracketing the sensitivity of an optical receiver. Patterning of digital HDR image is based on the calculation and recording of actual values of brightness of the object photographed portions corresponding to each pixel in the image. The calculation of the real brightness of the portion of the photographing object is carried out as a result of averaging the data obtained from a series of LDR images. When averaging the data in the most informative elements of each image are taken with a maximum weighting factor that determines the high quality of the resulting image of the photographic control object. Keywords: Exposure, bracketing, dynamic range, digital image, HDR

Способ регистрации информации в иконической оптико-электронной системе неразрушающего контроля

Диана ПИВТОРАК

1. Введение

В комплексах неразрушающего контроля широко используются фотографические системы регистрации и обработки оптической информации. Как правило, такие системы являются иконическими, предполагающими участие человека в процессе анализа полученных изображений [1]. Фотографические системы используются при визуальном контроле состояния объекта (техническая съёмка), а так же при рентгеновском контроле для фотографирования изображений на сцинтилляционных экранах [2]. Чаще всего, результирующее изображение формируется за счёт совокупности представляющих интерес малоконтрастных деталей объектов, находящихся в большом диапазоне яркостей. При этом, из-за несоответствия динамических диапазонов входного яркостного сигнала и фоторегистратора изображения, имеют место потери информации.

С целью снижения данных потерь при получении цифрового изображения объектов фотографирования с большим диапазоном яркости используется технология HDR (High Dynamic Range), позволяющая сформировать изображение с большим динамическим диапазоном. Как правило, изображение представляется в виде массива вещественных чисел, соответствующих реальной яркости элементарных участков фотографируемого объекта. Чаще всего HDR изображение формируется в результате алгоритмической обработки нескольких LDR (Low Dynamic Range) изображений одного и того же объекта, полученных при разных значениях регулирующих экспозицию параметров (брекетинг экспозиции) [3, 4].

43

Технология HDR позволяет сохранить максимальный объём информации об фотографируемом объекте контроля в широком диапазоне пространственных частот. Для удобства работы оператора с HDR изображениями и их отображении на приборах, имеющих ограниченный динамический диапазон (фотопринтеры, мониторы, проекторы и т.д.), разработаны эффективные алгоритмы тоновой коррекции, позволяющие сузить динамический диапазон изображения с сохранением информации об представляющих потенциальный интерес фрагментах фотографируемого объекта контроля. Однако, потери информации на этапе формирования HDR изображения являются невосполнимыми при дальнейшей алгоритмической обработке данного изображения.

Применяемые подходы к формированию изображений HDR имеют существенные недостатками, которые снижают эффективность цифровой съёмки объекта контроля.

Целью данной статьи является разработка эффективного способа регистрации цифровой фотографической информации об объекте контроля с большим диапазоном яркости. 2. Регистрация изображений объектов с большим диапазоном яркости путём брекетинга экспозиции

Для определения значений реальной яркости соответствующих каждому пикселю цифрового изображения элементарных участков фотографируемого объекта контроля, необходимых для формирования HDR изображения, наибольшее распространение на практике получил алгоритм, описанный в [5]. Для его реализации используется серия LDR снимков объекта контроля, полученных в результате брекетинга экспозиции. Сначала определяются экспозиции, соответствующие числу, описывающему пиксель, после чего экспозиции пересчитываются в значения, пропорциональные величине яркости участка объекта фотографирования, соответствующего данному пикселю. После этого, все яркости, соответствующие доступным экспозициям пикселя, суммируются с определённым весовым коэффициентом. Максимальное значение весового коэффициента соответствует экспозиции, находится в средней части кривой отклика аппарата.

Данный алгоритм формирования HDR изображения из нескольких LDR изображений применяется при ряде ограничений и допущений. Прежде всего, за оптимальное принимается значение экспозиции, которая соответствует средине кривой отклика. Кроме того, брекетинг экспозиции осуществляется за счёт брекетинга выдержки, объект неподвижен, а освещённость объекта фотографирования остаётся постоянной во время получения серии снимков.

Вместе с тем, реальные условия фотографирования редко соответствуют принятым ограничениям, в связи с чем, использование данного алгоритма не может гарантировать получение наиболее информативных изображений.

Параметр, определяющий эффективность фотографической съёмки, чаще всего не соответствует средине функции отклика фотографической системы. Как правило, в качестве критерия оценки эффективности фотосъёмки выбирается информационная ёмкость снимка или его разрешающая способность [6]. Зависимость разрешающей способности фотоприёмника от уровня действующей в чувствительном слое экспозиции описывается резольвометрической характеристикой [7]. При малых и больших экспозициях разрешающая способность падает из-за снижения контраста элементов изображения фотографируемого объекта контроля, кроме того существенное влияние оказывают шумы, зависящие от уровня экспозиции.

Число, соответствующее определённому пикселю изображения фотографируемого объекта контроля, в общем случае, зависит от его яркости, коэффициента пропускания

44

оптики, относительного отверстия используемого объектива, эффективной выдержки затвора фотографического регистратора, светочувствительности фоторегистратора. Следовательно, одинаковых результатов с точки зрения получения серии цифровых изображений, можно добиться путём брекетинга выдержки, брекетинга коэффициента пропускания нейтрального светофильтра, брекетинга относительного отверстия объектива, брекетинга светочувствительности или комбинацией изменения данных параметров.

В реальных условиях фотографирования имеет место сдвиг изображения, в связи с чем разрешающая способность будет зависеть от величины эффективной выдержки затвора фоторегистратора. Это ограничивает возможность использования только брекетинга выдержки.

Брекетинг относительного отверстия объектива при создании HDR изображений, как правило, не проводится из-за изменения глубины резко изображаемого пространства. Однако, при фотографировании плоских объектов, например, экранов рентгеновских аппаратов, его использование оправдано. Вместе с тем, диафрагменное число существенно влияет на разрешающую способность фотографической системы. На открытой диафрагме разрешающую способность системы ограничивают аберрации, при малых значениях относительного отверстия объектива начинают сказываться дифракции.

При брекетинге светочувствительности разрешающая способность изменяется из-за изменения уровня шума в изображении.

Таким образом, при использовании брекетинга экспозиции или светочувствительности в реальных условиях, экспозиция, соответствующая оптимальному значению параметра, выбранного в качестве критерия эффективности, может не соответствовать средине функции отклика фотографической системы. В этом случае, использование известного алгоритма формирования HDR изображения не позволяет получить изображение, несущее максимальную информацию о деталях фотографируемого объекта контроля. 3. Реализация предлагаемого способа регистрации изображения фотографируемого объекта контроля с большим интервалом яркости

Способ формирования изображения поясняется рис. 1 [8, 9]. Предлагаемый способ основан на обработке цифровых массивов LDR изображений

объекта контроля ),( kiZ LDR , полученных из одной точки фотосъёмки, где i – условный номер пикселя, pk ...2,1= – номер изображения в серии.

Для корректной работы предлагаемого способа формирования изображения требуется точное знание функции отклика используемой фотографической системы

),( isoLDR SHZ при используемых значениях светочувствительности фоторегистратора

isoS , которая связывает цифровое значение пикселя изображения LDRZ с экспозицией H на чувствительном элементе фотосенсора, который соответствует некоторому пикселю i . Функция отклика может быть измерена экспериментально [10], рассчитана или взята из технической документации на используемый фоторегистратор. Для большинства фоторегистраторов с достаточной для практики точностью, отличиями функций отклика каждого элемента, составляющего единый фотосенсор (например, фотоматрицу), можно пренебречь. На рисунке функция отклика фотографической системы, с помощью которой создаются исходные изображения объекта контроля с малым динамическим диапазоном, показана в виде семейства графиков ),(lg isoLDR SHZ .

45

Рис. 1. Алгоритм формирования HDR изображения из серии LDR изображений

Далее формируется массив из p цифровых изображений одного и того же объекта фотографического контроля, каждое из которых получается при разных значениях средней по кадру экспозиции или светочувствительности фоторегистратора.

После формирования массива цифровых изображений, для каждого пикселя каждого изображения определяется значение действующей в светочувствительном слое элемента, соответствующего пикселю изображения экспозиции ),( kiH . В дальнейшем проводится расчёт значений реальной яркости ),( kiL элементарных участков фотографируемого объекта контроля, соответствующих данному пикселю i . В общем случае, выражения для расчёта имеет вид:

),()(),(2

kiHtn

SiKkiL

eISO

E ⋅⋅= , (1)

где et – эффективная выдержка затвора фотоаппарата; n – диафрагменное число используемого объектива; ISOS – светочувствительность сенсора; ЕK – коэффициент, учитывающий светопропускание оптики, критериальный коэффициент определения

46

светочувствительности фоторегистратора, изменение экспозиции чувствительных элементов фотосенсора, вызванных падением освещённости от центра кадра к его краю.

Обязательным условием для реализации предлагаемого способа является определение для каждого пикселя i и каждого изображения k параметра ),( kiR , принятого за критерий оценки эффективности системы. Для этого может использоваться информация с рядом расположенных пикселей. В общем случае, в качестве критерия эффективности могут быть выбраны такие параметры, как разрешающая способность или информационная ёмкость участка кадра в районе заданного пикселя, относительно легко рассчитываемые с использованием методов пространственно-частотного анализа.

Одновременно с определением параметра ),( kiR , принятого за критерий эффективности системы, для каждого пикселя исходных цифровых изображений, проводится расчёт весового коэффициента

),,(),( kiRki ⋅= αψ (2)где α – коэффициент пропорциональности.

Далее, с целью повышения достоверности получаемых результатов, уменьшения эффекта артефактов и снижения уровня шумов, для участков объекта фотографирования, соответствующих каждому пикселю, проводится расчёт значения соответствующей ему яркости объекта фотографирования

=

=⋅

= p

k

p

k

ki

kikiLiL

1

10

),(

),(),()(

ψ

ψ, (3)

где k - число изображений в серии, после чего из оцифрованных значений )(0 iL составляют результирующее изображение.

Из расчёта )(0 iL исключаются данные, соответствующие крайним значениям цифрового диапазона функции отклика LDR системы.

Таким образом, при формировании итогового HDR-изображения, наиболее информативные элементы каждого изображения при расчёте значений )(0 iL берутся с максимальным весовым коэффициентом, что определяет высокое качество результирующего изображения. 3. Заключение

В работе разработан способ регистрации цифровой фотографической информации объекта контроля с большим диапазоном яркости. Способ позволяет сформировать изображение с большим динамическим диапазоном из серии изображений с малым динамическим диапазоном. Итоговое представляет собой цифровой массив, содержащий значения реальной яркости фотографируемого объекта контроля, для расчёта которых данные из наиболее информативных участков исходных изображений берутся с максимальным весовым коэффициентом, что определяет высокое качество результирующего изображения

47

References 1. Мирошников М.М., Теоретические основы оптико-электронных приборов, Москва,

Машиностроение, Ленинградское отделение, 1983. 2. Троицкий В.А., С.Р. Михайлов, Р.О. Пасовенский, Д.С. Шило, Современные системы

радиационного контроля неразрушающее контроля, Техническая диагностика и неразрушающий контроль, №1, c. 23-35, 2015.

3. Dicarlo J., B. Wandell, Rendering high dynamic range images, Proceedings of the SPIE: Image Sensors, 3965, pp. 392–401, 2000.

4. Reinhard E., G. Ward, S. Pattanaik, P. Debevec, E. Reinhard, High Dynamic Range Imaging: Acquisition, Display, and Image-Based Lighting, San Francisco, Morgan Kaufmann Publishers Inc., 2005.

5. Debevec P. E., J. Malik, Recovering high dynamic range radiance maps from photographs, In SIGGRAPH 97 Conference Proceedings, AddisonWesley, T. Whitted, Ed., Annual Conference Series, ACM SIGGRAPH, 1997, pp. 369–378.

6. Бойко Д.А., Разработка метода многокритериальной оценки качества визуализации маммограмм, Системи управління, навігації та зв’язку, №2 (34), с. 63-67, 2015.

7. Ребрин Ю.К., Оптико-электронное разведывательное оборудование летательных аппаратов, Киев, КВВАИУ, 1988.

8. Колобродов В.Г., Д.О. Півторак, О.П. Подолян, Спосіб одержання цифрового зображення з великим динамічним діапазоном, МПК G06Т 5/50, Пат. 98750 України, опубл. 10.06.2012, бюл. № 11.

9. Колобродов В.Г., Д.А. Пивторак, А.П. Подолян, Способ получения цифрового изображения с большим динамическим диапазоном, МКП G06Т 5/50, Пат. 2470366 Российской Федерации, опубл. 20.12.2012, бюл. №35.

10. Колобродов В.Г., Д.О. Півторак, Алгоритм кодування зображення об’єкта фотографування, що має великий діапазон яскравостей, Наукові вісті НТУУ “КПІ”, №2, c. 129-132, 2013.

Bulgarian Society for NDT International Journal “NDT Days” Volume II, Issue 1, Year 2019

ISSN: 2603-4018eISSN: 2603-4646

48

Approximation of Oscillatory Signals in Technical Diagnostics

Serhii TSYBULNYK, Iryna KOMENCHUK

Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute, Ukraine e-mail: tsybulnik.s.a@gmail.com

Abstract The problem of approximation of measured data often arises in technical diagnostics. But there is no universal method that can approximate signals of any physical nature. For example, the least squares method badly approximates oscillatory processes. For technical diagnostics, the universality of the method is very important. Therefore, in this paper, the least squares method has been improved. It is proposed to divide the signal into separate segments for approximation of oscillatory processes by this method as well as conduct preliminary interpolation for a better dividing of the signal into segments and the possibility of using fast processing algorithms. Keywords: Technical diagnostics, least squares method, approximation, oscillatory processes

Аппроксимация колебательных процессов в технической диагностике

Сергей ЦЫБУЛЬНИК, Ирина КОМЕНЧУК 1. Введение

Техническая диагностика – отрасль знаний, охватывающая теорию, методы и средства определения технического состояния объекта или системы. Основной задачей технического диагностирования является обеспечение безопасности, функциональной надежности и эффективности работы технического объекта.

Многоклассовая диагностика осуществляется на базе предварительного анализа определенных параметров исследуемого объекта. К каждому из этих параметров относятся определенные признаки. Также у каждого из них есть какой-то класс, который можно определить по данным признакам.

Для реализации этой задачи в настоящее время используют нейронные сети. Это автоматические системы, которые имеют способность к обучению. В качестве параметров могут выступать различные по своей природе объекты: символы текста, изображения, образцы звуков и так далее. При обучении сети предлагаются различные образцы параметров с указанием того, к какому классу они относятся. Образец, как правило, представляется как вектор значений признаков. При этом совокупность всех признаков должна однозначно определять класс, к которому принадлежит образец. После окончания обучения сети, ей можно предъявлять неизвестные ранее параметры и получать ответ о принадлежности к определенному классу.

Нейронные сети могут обучаться у любых функций, что позволяет избежать использования сложного математического аппарата, а использование нелинейных функций активации позволяет решать задачи по нелинейности [1, 2].

Таким образом, на основе нейронных сетей, возникает новый класс систем – системы многоклассовой диагностики [3, 4]. Многоклассовая диагностика широко используется в измерительных системах, где важную роль играет прогнозирование технического состояния различных объектов или их наиболее ответственных частей. В

49

технической диагностике в последнее время стали широко использоваться нейронные сети, но в диагностических системах они чаще всего выступают в роли классификаторов состояния объекта [3, 5], а не аппроксиматорами.

Если в измеренных данных отсутствует очевидная аналитическая зависимость, можно ее приближенно установить с помощью аппроксимации. В наше время существует большое количество методов аппроксимации, которые отличаются сферой использования и формой кривых, которые можно описать с их помощью.

Часто в технической диагностике возникает необходимость получать решение математических задач в числовой форме. При этом для многих задач известно, что решение существует, но аналитическая формула этого решения не известна [6]. Поэтому стоит задача преобразования одной формы функциональной зависимости в другую превращение табличной формы представления данных (результатов измерений) в аналитическую (построение математической модели) [7]. Даже при наличии такой аналитической формулы, ее использование для исследования специфических случаев состояния объекта может оказаться неэффективным. Также всегда существует необходимость решать и такие математические задачи, для которых строгие доказательства существования решения на данный момент отсутствуют [6]. Во всех этих случаях используются методы приближенного решения. Как правило [6, 7], алгоритмы приближенного решения базируются на том, что исходная математическая задача заменяется некоторой более простой. То есть, фактически используется некоторая приближенная модель исходной задачи – ее аппроксимация.

Целью использования аппроксимации в большинстве случаев является восстановление утраченных исходных данных, но в технической диагностике, прежде всего, важно спрогнозировать поведение измеряемого параметра в будущем для оценки остаточного ресурса объекта. Однако в большинстве технических систем задача прогнозирования является нерешенной, поскольку существующий математический аппарат и алгоритмы аппроксимации в некоторых случаях оказываются неэффективными и не позволяют найти аналитическое описание измеренной величины с достаточными быстродействием и точностью.

Как правило, характеристики многих сложных процессов и явлений получают экспериментально. Гораздо реже удается найти их теоретически. Для изучения процессов, необходимо, прежде всего, отразить характеристики в математической форме, пригодной для расчетов [8]. Простым и достаточно точным способом является представление характеристики в виде таблицы.

Очень часто непосредственное применение экспериментальных данных в форме таблиц и графиков оказывается неудобным, и данные стремятся описать с помощью простых аналитических отношений, которые хотя бы качественно отражают характер рассматриваемых зависимостей [9]. В данном случае необходимо решить задачу аппроксимации.

Таким образом, если исследование должно проводиться не численными, а аналитическими методами, то необходимо подобрать такую аппроксимирующую функцию, которая будет довольно простой, но отражать все важные особенности экспериментально полученной характеристики с достаточной степенью точности [8].

Следовательно, функцию, которая аппроксимирует некоторую характеристику, выбирают исходя из физических представлений об исследуемом процессе, или чисто формально, основываясь на внешнем сходстве характеристики с графическим изображением той или иной функции [8]. Требования, предъявляемые к аппроксимирующей функции, противоречивы [10]: обеспечивая хорошее качество приближения, она должна быть простой и удобной для дальнейшего использования.

50

Таким образом, при решении задачи аппроксимации так же, как и при решении любой задачи, связанной с выбором расчетной модели, необходимо идти на компромисс между точностью и сложностью модели [9]. Разработка новых подходов к аппроксимации данных измерений является чрезвычайно важной и актуальной задачей при прогнозировании в системах многоклассовой диагностики.

Следует отметить, что точность аналитического представления изучаемого явления будет тем выше, чем точнее модель, описывающая данное явление. Основные требования, предъявляемые к выбору модели явления при одинаковой точности модели – наименьшее количество коэффициентов модели и ее простота, выполнение данных требований способствует уменьшению систематической ошибки [11] и времени обработки [12] экспериментальных данных.

Точность аппроксимации можно повысить за счет предварительного использования алгоритмов интерполяции для получения большего количества отсчетов, а также создания основы для использования быстрых алгоритмов. Интерполяция чаще всего используется в технических системах для распознавания образов и улучшения их качества. Однако использование интерполяции также не лишено своих недостатков, связанных с плохим приближением из-за накопления ошибок в процессе вычислений при большом количестве узлов интерполяции.

Обзор работ других авторов в области аппроксимации и интерполяции функций показал, что разработан мощный математический аппарат, который может использоваться для решения широкого круга задач. Но основная масса исследований – это строгая теория математической аппроксимации, то есть разработка фундаментальных математических положений. Использование технической аппроксимации сосредоточено в основном вокруг восстановления утраченных исходных данных, но в технической диагностике, прежде всего, важно спрогнозировать поведение измеряемого параметра в будущем для оценки остаточного ресурса.

Все это позволило сформировать цель исследований. Целью работы является совершенствование метода наименьших квадратов для применения к сигналам колебательного характера и разработка программного обеспечения аппроксимации данных измерений с помощью предварительного использования алгоритмов интерполяции для эффективного использования в системах многоклассовой диагностики. 2. Интерполяция

Существует много методов интерполяции. Некоторые из них являются очень гибкими и могут применяться для различных данных. Другие более ограниченные и требуют, чтобы данные соответствовали определенным условиям. Каждый из этих методов имеет собственный набор параметров, что позволяет его настраивать для конкретного набора данных [13].

Для дальнейших исследований выбран метод полиномов Лагранжа. В данном пункте проведена интерполяция полиномами Лагранжа колебательного процесса, как одного из наиболее сложных для аппроксимации методом наименьших квадратов.

Для начала определим недостатки метода [14]: • поскольку степень многочлена Лагранжа определяется количеством узлов, то

любая попытка повысить точность интерполяции путем увеличения количества узлов влечет за собой увеличение степени полинома;

• формула для расчета достаточно громоздка. Каждая составляющая формулы является многочленом n-й степени;

51

• если степень полинома выше 5, то на кривой появляется «волнистость», которая получила название эффекта Рунге-Мерей. Представляется возможным улучшить ситуацию путем подбора расположения узлов в зависимости от конкретной функции в интерактивном режиме, но такая процедура довольно неудобна.

Интерполяционные формулы Лагранжа, Ньютона, Гаусса и др. при использовании большого количества узлов интерполяции часто приводят к плохому приближению из-за накопления ошибок в процессе вычислений [15]. Поэтому для начала необходимо определить оптимальное количество узлов интерполяции. Критерием выбора оптимального значения узлов является минимум максимального значения относительной погрешности.

Первый этап исследований включал в себя моделирование периодической колебательной функции с частотами 2Гц, 20Гц и 200Гц вида:

),sin()( twbaty ⋅⋅+= (1)где a , b , c , w – константы; a – постоянная составляющая сигнала; b – амплитуда колебаний; fw ⋅⋅= π2 , где f – циклическая частота, Гц.

Проведены опыты для N отсчетов (N = 512, 1024, 2048, 4096, 8192) функции (1). При этом в виде переменных параметров выбрано количество узлов, необходимых для интерполяции (n = 5, 9, 17, 33, 65) и количество целых периодов (р = 1, 2, 3, 4, 5). Каждое исследование проходило при условии, что интерполяция проходит по n-узлам, взятым из начальных N-отсчетов сигнала через одинаковый шаг. Например: а) 5 узлов интерполяции при начальной длине сигнала 2048 отсчетов; б) 9 узлов интерполяции при начальной длине сигнала 2048 отсчетов; и так далее. Это позволило получить результаты при различных частотах дискретизации сигнала.

Ряд опытов для гармонических процессов с частотами 2Гц, 20Гц и 200Гц подтвердил результаты работы [15], что неправильный выбор количества отсчетов интерполяции полиномами Лагранжа действительно приводит к появлению методических погрешностей. Эти методические погрешности проявляются в виде экстремумов на краях отрезка интерполяции. Один из примеров данной погрешности изображено на рис. 1.

Рис. 1. Результаты моделирования при N=512, n=65

Проведено сравнение результатов интерполяции гармонических процессов. Для большинства случаев использования интерполяционных полиномов Лагранжа дает наилучший результат при выборе от 17 до 40 узлов интерполяции. При выборе 33 узлов интерполяции минимум максимальной относительной погрешности находится в пределах от 10-7% до 10-3%. Для всех остальных значений количества узлов

52

интерполяции порядок погрешности возрастает и достигает десятков, даже тысяч, процентов.

Интерполяция колебательного процесса полиномами Лагранжа имеет следующие недостатки:

1. При неправильном выборе количества узлов интерполяции (как слишком малом, так и слишком большом) проявляются методические погрешности, которые приводят к значительному увеличению максимального значения относительной погрешности.

2. При выборе слишком большого количества узлов интерполяции расчет с помощью цифровых устройств (например, персонального компьютера) становится невозможным из-за выхода рассчитанных значений за пределы соответствующих типов данных. В результате такого расчета получается величина NaN (Not a Number, рис. 2).

Рис. 2. Результаты моделирования при выборе слишком большого количества узлов интерполяции

Также доказано, что для выбранной периодической функции результат интерполяции полиномами Лагранжа практически не зависит от частоты дискретизации, частоты сигнала и его длины. 3. Аппроксимация методом наименьших квадратов

Метод наименьших квадратов (МНК) – это математический метод, используемый для нахождения приближенной функции по набору данных (точек), которая минимизирует сумму квадратов отклонений точек от найденной функции.

МНК считается самым распространенным и часто используется для новых разработок и исследований. Преимуществом данного метода является его простота и эффективность оценки параметров линейных моделей. В то же время, среди недостатков выделяют чувствительность оценки к резким колебаниям, которые присутствуют в исходных данных, а также громоздкость вычислений.

Итак, для совершенствования метода наименьших квадратов было предложено проводить аппроксимацию не по всем отсчетам сигнала сразу, а разбивать его на части, каждую из этих частей отдельно аппроксимировать, а затем собирать в единый сигнал. Подобные исследования были проведены в работе [16].

Из основных недостатков, которые были выявлены при таком подходе можно назвать следующие:

1) Скачки в местах соединения соседних отрезков. 2) В работе [16] рассмотрена аппроксимация полиномами до 80-го порядка, что

значительно усложняет алгоритм и увеличивает время моделирования. Данные проблемы проиллюстрировано на рис. 3. Чтобы уменьшить влияние этих скачков на стыках соседних сегментов,

предложено проводить так называемое сглаживание (рис. 4), то есть проводить дополнительную кусочную аппроксимацию в области соединения двух соседних сегментов. Количество точек (отсчетов), взятых для кусочной аппроксимации, составляет пятую часть от длины каждого отрезка, который принимает участие в процессе сглаживания.

53

Рис. 3. Результаты аппроксимации функции при N = 512, f = 20Гц, без сглаживания

Рис. 4. Результаты аппроксимации функции при N = 512, f = 20Гц, со сглаживанием

Как видно из рис. 4, погрешность в месте, где был стык двух соседних сегментов значительно снизилась, но на уровень общей погрешности это не повлияло. Разобьем входной сигнал на большее количество отрезков, то есть не на 2, как было в предыдущем случае, а, например, на 8. На рис. 5 показано случай разделения входного сигнала на 8 частей, но без сглаживания.

В общем, погрешность аппроксимации можно снизить, если увеличить количество сегментов, на которые будет разделен сигнал. Например, для двух сегментов относительная погрешность достигала 14%, а для восьми – находится в пределах 0,006%. Однако, как видно из рис. 5 на графиках присутствуют экстремумы в местах соединения сегментов. Эти экстремумы не сильно меняют порядок погрешности, но увеличивают значение средней относительной погрешности аппроксимации. Для случая идеальных сигналов изменения незначительны, но в случае аппроксимации сигналов, в которых содержится шум, эти изменения могут иметь значительно большее влияние на значение погрешности.

0 0.05 0.1 0.15Time, s

0

5

10

Graph of relative error

0 0.05 0.1 0.15Time, s

2

3

4Signal graph

Initial functionApproximated function

0 0.05 0.1 0.15Time, s

0

0.5Graph of absolute error

54

Рис. 5. Результаты аппроксимации функции при N = 512, f = 20Гц, без сглаживания, 8 сегментов

На рис. 6 представлен тот самый случай, но с использованием алгоритма

сглаживания. Таким образом, за счет сглаживания (рис. 6) удалось избавиться от экстремумов, что позволило уменьшить относительную погрешность.

Рис. 6. Результаты аппроксимации функции при N = 512, f = 20Гц, со сглаживанием, 8 сегментов

Для упрощения расчетного алгоритма и уменьшения времени расчета было

принято решение уменьшить порядок полинома, который используется при аппроксимации с восьмидесятого до пятого. Это позволило упростить и ускорить расчет. Как и в работе [16] показателем достоверности аппроксимации избран коэффициент детерминации. Точность использования полиномов выше пятого порядка не дает значительного снижения погрешности аппроксимации (рис.7, рис.8).

Рис. 7. Результаты аппроксимации функции при N = 512, f = 20Гц, 80 порядок аппроксимирующего полинома

Рис. 8. Результаты аппроксимации функции при N = 512, f = 20Гц, 5 порядок аппроксимирующего полинома

0 0.05 0.1 0.15Time, s

0

2

4

610-3 Graph of relative error

55

Как видно из рис. 7 и рис.8 увеличение порядка полинома с пятого до восьмидесятого практически не влияет на погрешность, то есть порядок погрешности не меняется. Однако уменьшение максимального порядка полинома ниже 5-го приводит к росту погрешности на несколько порядков.

При обработке данных существует очень много быстрых алгоритмов обработки, которые работают только в том случае, когда длина сигнала является равной 2i, где i – натуральное число. Большинство этих алгоритмов сокращает сигнал к длине 2i за счет отбрасывания последних отсчетов. Однако эти выброшенные отсчеты могут содержать важную информацию, особенно в системах многоклассовой диагностики [3], где оценивается и прогнозируется техническое состояние объектов. Задача прогнозирования технического состояния объектов в эксплуатации решается тем точнее, чем больше есть информации о состоянии объекта. Именно поэтому необходимо усовершенствовать алгоритм аппроксимации таким образом, чтобы отсчеты не было потеряно при использовании быстрых алгоритмов обработки данных.

Поскольку длина исходного сигнала в общем случае может быть произвольной, было предложено перед аппроксимацией предварительно проводить интерполяцию исходного сигнала к длине 2i. В данном алгоритме это осуществляется с помощью интерполяционных полиномов Лагранжа.

Основной проблемой использования интерполяции полиномами Лагранжа, как было показано ранее, является правильный выбор количества узлов интерполяции. При неправильном выборе количества узлов интерполяции в методе интерполяционных полиномов Лагранжа возникают значительные методические погрешности, искажающие результат. Как было показано, одним из лучших вариантов для интерполяции полиномами Лагранжа является выбор от 15 до 40 узлов интерполяции. Именно поэтому было принято решение разбивать сигнал на отдельные сегменты для интерполяции. Каждый из этих сегментов интерполируется до определенной длины, а затем все отрезки объединяются в один сигнал.

Таким образом, в основу усовершенствованного алгоритма была заложена поиск делителя длины исходного сигнала, который находится в пределах от 15 до 40 отсчетов и разделяет начальную длину на целое число отдельных отрезков для интерполяции. Каждый из этих отрезков отдельно интерполируется до необходимой длины, и все эти отрезки объединяются в единый сигнал. В данном случае погрешность при объединении отрезков отсутствует, так как интерполяция не изменяет форму сигнала, а проходит через все базовые отсчеты.

Итак, длина исходного сигнала разбивается на отрезки от 15 до 40 отсчетов по алгоритму программы. Это означает, что для определения количества промежутков интерполяции, по алгоритму проходит деление первоначальной длины сигнала по очереди в диапазоне от 15 до 40, до того момента пока не определится целое число отрезков интерполяции. Если при делении от 15 до 40 целое число отрезков не будет найдено, то вводится алгоритм корректировки длины исходного сигнала, который был разработан дополнительно.

Таким образом, удалось разработать универсальный алгоритм интерполяции, который корректно работает для всех длин исходного сигнала. По приведенным алгоритмам разработано соответствующее программное обеспечение в математическом пакете MatLab. В будущем планируется исследовать эффективность усовершенствованного метода аппроксимации на сигналах, которые содержат более чем одну частоту и шумовые составляющие.

56

4. Заключение

Проведено исследование эффективности интерполяционных алгоритмов при использовании идеальных (смоделированных) периодических сигналов с частотами 2Гц, 20Гц, 200Гц. Показано, что при использовании слишком большого количества узлов интерполяции проявляются методические погрешности выбранного метода, что приводит к значительному росту погрешности интерполяции. Показано, что лучшим из рассмотренных вариантов является использование от 15 до 40 узлов интерполяции. Доказано, что точность интерполяции рассмотренных непериодических процессов методом Лагранжа не зависит от частоты сигнала, частоты дискретизации, а также длины сигнала.

Разработано алгоритмическое и программное обеспечение аппроксимации периодических процессов методом наименьших квадратов в математическом пакете MatLab. Усовершенствован стандартный алгоритм аппроксимации методом наименьших квадратов путем использования кусочной аппроксимации полиномами до седьмого порядка. Показано, что погрешности аппроксимации снизились до 10-3%. Усовершенствован алгоритм кусочной аппроксимации путем введения сглаживания в местах соединения соседних отрезков. Показано, что сглаживание позволило убрать экстремумы погрешностей в местах соединения соседних отрезков.

Разработано алгоритмическое и программное обеспечение аппроксимации данных за счет предварительного использования методов интерполяции для изменения длины исходного сигнала до значения 2i и (i – натуральное число) для возможности использования быстрых алгоритмов обработки данных в системах многоклассовой диагностики, а также возможного повышения точности прогнозирования технического состояния объектов такими системами. Литература 1. В.С. Медведев, В.Г. Потёмкин, Нейронные сети. MATLAB 6, М.: Диалог-МИФИ, 2002. 2. С. Хайкин Нейронные сети. Полный курс, Москва, 2006. 3. N. Bouraou, D. Pivtorak, S. Rupich, “Multiclass recognition of objects technical condition by

classifier based on probabilistic neural network”, Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, Vol 5, No 4 (89), pp. 24-31, 2017. DOI: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2017.109968

4. N. Bouraou, S. Tsybulnik, D. Shevchuk, “Investigation of the model of the vibration measuring channel of the complex monitoring system of steel tanks”, Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, Vol 5, No 9 (77), pp. 45-52, 2015. DOI: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2015.50980

5. В.О. Адаменко, «Штучні нейронні мережі як апроксимаційний апарат в задачах проектування радіотехнічних пристроїв», Вісник Національного технічного університету України "КПІ" 41. Серія – Радіотехніка. Радіоапаратобудування, №51, С. 41-49, 2012.

6. В.Д. Корлёв, Вычислительная математика: Методические указания к лабораторным работам 1,2, Рязань: Рязан. гос. радиотехн. акад., 2008.

7. О.Н. Некрасов, Э.Г. Мирмович, «Интерполирование и аппроксимация данных полиномами степенного, экспоненциального и тригонометрического вида», Научные и образовательные проблемы гражданской защиты, №4, С. 23, 2010.

8. N. Bouraou, O. Pavlovskyi, O. Pazdrii, “Improvement of the vibration diagnostics of rotation shaft damage based on fractal analysis”, Vibrations in Physical Systems, Vol. 27, pp. 61-66, 2016.

9. В.П. Попов, Основы теории цепей, М.: Высшая школа, 1998. 10. М.Т. Иванов, А.Б. Сергиенко, В.Н. Ушаков, Теоретические основы радиотехники, М.:

Высшая школа, 2002.

57

11. В.И. Нефедов, А.С. Сигов, В.К. Битюков, В.И. Хахин, Метрология и радиоизмерения, Москва, Высшая школа, 2006.

12. Дж. Бендат, Прикладной анализ случайных данных, М.: Мир, 1989. 13. Введение в методы интерполяции [Електронний ресурс]. – Доступ:

https://desktop.arcgis.com/ru/arcmap/10.4/extensions/geostatistical-analyst/an-introduction-to-interpolation-methods.htm. Дата звернення: Груд. 10, 2018р.

14. О.Н. Романюк, Комп'ютерна графіка. Навчальний посібник, Вінниця: Віницький національний технічний університет, 2015.

15. О.Ф. Москалець, В.М. Шутко, «Метод найменших квадратів для сплайнів непарних степенів», Bulletin of Engineering Academy Of Ukraine, №2, С. 224, 2010.

16. С.О. Цибульник, К.О. Лисікова Апроксимація функцій методом найменших квадратів, Вісник Інженерної академії України, №1, С. 106-110, 2017.

Bulgarian Society for NDT International Journal “NDT Days” Volume II, Issue 1, Year 2019

ISSN: 2603-4018eISSN: 2603-4646

58

Optimization of Analysis Time of Pulsed Eddy Current Non-destructive Testing Signals

Yurii KUTS1, Anatoliy PROTASOV1, Iuliia LYSENKO1,

Alexander ALEXIEV2, Oleksandr DUGIN1

1Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute, Ukraine

Phone: +38 044 2049547, Fax: +38 044 4068501; e-mail: j.lysenko@kpi.ua 2Institute of Mechanics at the Bulgarian Academy of Sciences, Sofia, Bulgaria, e-mail: AL68@abv.bg

Abstract The purpose of this paper has been to study the influence of the choice of time interval for analysis of the eddy current transducer signal in a pulsed mode on the signal decrement error. A method for minimizing the transducer signal decrement error was developed and presented. It included nonlinear regression analysis for estimating the signal amplitude characteristic. The confidence intervals of the transducer signal amplitude characteristics were obtained and analyzed. The obtained results of model experiments which are given in the paper confirmed the effectiveness of using the proposed method to improve the accuracy of determining the signal decrement. Keywords: eddy current, transducer pulsed excitation mode, signal characteristics, amplitude value, signal decrement, error.

Оптимизация времени анализа сигналов импульсного вихретокового неразрушающего контроля

Юрий КУЦ, Анатолий ПРОТАСОВ, Юлия ЛЫСЕНКО,

Александер АЛЕКСИЕВ, Олександр ДУГИН 1. Введение

Ускоренные темпы развития информационно-измерительных технологий и методов цифровой обработки сигналов создают условия для усовершенствования методов и средств обработки информационных сигналов неразрушающего контроля. Эта общая тенденция имеет место и в вихретоковом контроле (ВТК). К числу ключевых задач последнего относятся повышение информативности и реализация режима многопараметрового контроля [1, 2]. Один из актуальных методов решения этих задач связан с использованием импульсного режима возбуждения вихревых токов [3, 4]. Его суть заключается в воздействии через вихретоковый преобразователь (ВТП) импульсным токовым сигналом на объект контроля (ОК), формировании реакции системы ВТП – ОК в виде затухающего гармонического колебания и последующей оценке параметров ОК и характеристик его материала по таким информативным параметрам сигнала ВТП, как декремент и частота собственных колебаний. Применение метода обработки сигнала ВТП на основе дискретного преобразования Гильберта позволяет получать амплитудные и фазовые характеристики этого сигнала (АХС и ФХС), что существенно упрощает последующее оценивание их информативных параметров. Процесс оценивания параметров сигналов ВТП по причине особенностей вычислительных эффектов, а также действия шумов и помех различной природы

59

сопровождается возникновением погрешности. Методическая составляющая погрешности определяется особенностями применяемых цифровых методов обработки сигналов и режимов получения данных [5]. 2. Цель и задачи исследования

В работе [6] рассмотрена возможность повышения точности определения декремента сигналов импульсного ВТК в виде затухающих гармонических колебаний за счет выбора оптимального интервала времени анализа этого сигнала. Однако полный анализ влияния этого фактора не проведен. Целью работы является исследование влияния времени анализа сигнала импульсного ВТК в виде затухающего гармонического колебания на погрешность определения декремента этого сигнала. Для рассматриваемой постановки задачи модель сигнала ВТП в общем виде может быть представлена аддитивной смесью затухающих гармонических колебаний и гауссовского шума: ( ) ( ) ( )tufteAtu ш

t +π⋅= ⋅α− 2cosвтп , ( )21, ttt ∈ , (1) где A − амплитудное значение сигнала ВТП, α − декремент сигнала, f − частота собственных колебаний, t − текущее время, ( )21 , tt − интервал времени анализа сигнала ВТП, ( )tuш − шумовая составляющая сигнала, которая рассматривалась как реализация гауссовского случайного процесса с нулевым математическим ожиданием и дисперсией

2σ . Необходимо определить декремент α сигнала ВТП с использованием методов

регрессионного анализа, а также оценить точность его оценивания. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: 1) применить нелинейный регрессионный анализ к задаче оценивания АХС ВТП

и доверительного интервала ее значений; 2) определить декремент сигнала ВТП с учетом оптимального времени анализа

этого сигнала; 3) оценить погрешность определения декремента сигнала ВТП с учетом

применения методов регрессионного анализа и оптимизации времени анализа сигналов ВТП.

3. Проведение исследования 3.1 Методика решения поставленной задачи

Поставленная задача решается методом моделирования, в основе которого лежит определение декремента сигнала ВТП по АХС. Для этого был сформирован сигнал вида (1) со следующими параметрами: 0.5=A В, 620=f кГц, 5103.2 ⋅=α с-1. Период дискретизации выбран равным 91016 −⋅=dT с. В качестве шума был использован гауссовский шум. На временном интервале анализа соотношение сигнал/шум ( A σ ) изменялось в диапазоне от 0,5% (соответствует 60 дБ) до 10%. Фрагмент смоделированного сигнала ВТП приведен на рис. 1 (кривая 1).

60

Рис. 1 – Фрагмент сигнала ВТП и его амплитудной характеристики: 1 – сигнал ВТП, 2, 3 – амплитудная характеристика сигнала и ее тренд соответственно

Методику обработки сигнала ВТП иллюстрирует рис. 2. Она включает следующие этапы:

1) получение дискретной амплитудной характеристики сигнала ВТП и применение к АХС методов нелинейного регрессионного анализа (рис.1, кривые 2,3);

2) определение доверительных интервалов значений линии регрессии АХС и оценка границ погрешности;

3) определение декремента затухания сигнала ВТП в импульсном режиме по линии регрессии АХС;

4) определение оптимального временного интервала анализа сигнала ВТП для минимизации погрешности определения декремента затухания;

5) определение декремента затухания сигнала ВТП с учетом оптимального временного интервала анализа этого сигнала по линии регрессии АХС;

6) анализ полученных результатов. 3.2 Алгоритм обработки сигналов вихретокового преобразователя

Порядок обработки информационных сигналов ВТП преобразователя с импульсным возбуждением предусматривал формирование выборки сигнала [ ]juвтп и использование дискретного преобразования Гильберта для получения гильберт-образа и огибающей этого сигнала: [ ] [ ][ ]jujuH втпH= u j, D, γ = H uвсп j, D, γ , (2)

[ ] [ ] [ ]jujujU H22

втпˆ += , (3)

где H H ‒ оператор дискретного преобразования Гильберта; [ ]U j ‒ дискретная амплитудная характеристика сигнала.

61

Рис. 2 – Графическое отображение методики обработки сигнала ВТП

С целью устранения влияния шумов на АХС было рассмотрено использование методов нелинейного регрессионного анализа. Принимая во внимание нелинейность АХС, и возможность ее представления экспоненциальной функцией вида tkeα , задача определения линии регрессии сводилась к определению линейной регрессии логарифмической функции от АХС, то есть к определению линейной регрессии функции вида [7]: [ ]( ) ( ) ( ) d

jT jTkkejU d α+== α lnlnˆln . (4) Проведя замену и обозначив ( ) bk =ln , уравнение (4) сводится к линейной функции

( ) btty +α= , где текущее время dj jTtt == . Для определения линейной регрессии был выбран метод Бартлетта-Кенуя. Данный

метод относительно прост и может использоваться для анализа небольших по объему выборок. В основе метода лежит упорядочивание данных по времени t и разделение полезной части выборки [ ]jU , 600 ... 50=j , на три группы одинакового объема M . В каждой группе вычисляются суммы вида [ ] jU ∑Ф j, D, γ ∑Ф j, D, γ y и jt .

Обозначим их соответственно 321ˆ,ˆ,ˆ UUU Ф ,Ф ,Ф Y и 321 ,, ttt . Тогда коэффициенты

линейной регрессии оцениваются соотношениями:

13

13ˆˆ

ttUU

−−

=α b = -- , и Mt

MUb 22ˆ

⋅α−= . (5, 6)

С учетом полученных результатов было проведено оценивание погрешности определения функции ( )tU по формулам:

( ) ( ) ( ) ( )ttycpU

yлинettU ..ˆˆ ΔΔ ±=± b = -- и ( ) ( ) ( ) ( )tty

UyлинettU .

ˆˆ ΔΔ ±=± b = -- , (7, 8)

62

где ( )tcpU .ˆΔ и ( )tUΔ – границы погрешности средних и индивидуальных значений

огибающей, соответственно; ( )tyлин.Δ и ( )tyлин.Δ – границы погрешности средних и индивидуальных значений линеаризованной функции ( )ty , соответственно.

Согласно выполненным ранее исследованиям [6] установлено, что для минимизации погрешности определения информативных параметров сигнала ВСП (1) в условиях импульсного возбуждения, необходимо выбирать интервал времени анализа сигнала из условия: 10889,1≈α TΔ . (9)

Определив время анализа сигнала ВСП TΔ , был сделан перерасчет декремента α′ по формуле (5). 4. Результаты и их обсуждение

Полученные результаты определения параметров нелинейной регрессии проиллюстрированы на рис. 3 (кривая 3).

Рис. 3 – Фрагмент сигнала ВСП и графики доверительных областей регрессии для значений огибающей (1 – сигнал преобразователя, 2 – амплитудная характеристика,

3 – ее тренд, 4 − доверительная область регрессии для индивидуальных значений декремента сигнала, 5 − для средних значений декремента сигнала)

На рис. 3 приведены графики доверительных областей регрессии для рассчитанных

коэффициентов декремента сигнала ВТП с использованием тренда АХС с заданной вероятностью 95.0=P .

Из графиков видно, что с целью минимизации погрешности определения декремента сигнала ВСП целесообразно выбирать для анализа среднюю часть этого сигнала с наименьшим значением дисперсии.

Была проведена серия из 100 модельных экспериментов. Отклонение в значении декремента α сигнала преобразователя, полученному по линии регрессии АХС, от заданного при моделировании не превышало 2,5%. В случае определения декремента α с учетом оптимального времени анализа, погрешность не превышала 1,5 %.

63

5. Заключение

В данной работе приведены результаты исследования влияния времени анализа затухающего гармонического сигнала импульсного ВТК на погрешность определения декремента этого сигнала. По результатам моделирования установлено, что время анализа сигнала целесообразно выбирать равным или близким оптимальному времени и в средней области существования затухающего колебания. Это позволяет минимизировать погрешность определения декремента сигнала ВСП, которая при определении предложенным способом, для заданных параметров модели не превышала 1,5 %.

Полученные результаты подтверждают эффективность использования предложенного метода повышения точности определения декремента сигнала ВТП на основе определения нелинейного тренда АХС. Следует отметить, что значение декремента сигнала является очень чувствительными к воздействию помех и шумов, поэтому предложенный метод повышения точности определения декремента сигнала ВТП может быть применен для сигналов с низким уровнем отношения сигнал/шум. Литература 1. Тетерко А.Я. Селективна вихрострумова дефектоскопія / А.Я. Тетерко, З.Т. Назарчук; НАН

Украини, Физ.-мех. ин-т им. Г.В. Карпенка. – Львов, 2004. – 247 c. 2. Учанін В.М. Накладні вихрострумові перетворювачі подвійного диференціювання:

[монографія] / В.М. Учанін; НАН України, Фіз.-мех. ін-т ім. Г.В. Карпенка. – Львів: СПОЛОМ, 2013. – 268.

3. Adewale I. Decoupling the Influence of Permeability and Conductivity in Pulsed Eddy-Current Measurements / I.D. Adewale, G.Y. Tian// IEEE Trans. Magn. – 2013. – vol. 49, no. 3. – pp. 1119-1127.

4. Lysenko I. Pulsed eddy current non-destructive testing / Yu. Kuts, A. Protasov, Iu. Lysenko, O. Dugin // Ж-л «Научные известия на НТСМ». – Болгария, 2017. – №216. – С. 114–117.

5. Evaluation of measurement data – Guide to the expression of uncertainty in measurement: First edition. — JCGM, Switzerland, 1993. – 120 р.

6. Kuts Yu. Analysis of the signal parameters measurement uncertainty at pulsed eddy current non-destructive testing / Yu. Kuts, A. Protasov, Iu. Lysenko, O. Dugin // International Journal “NDT Days” − 2018. − Vol. 1, Iss. 4. −pp. 461-468.

7. Куц Ю. В. Статична фазометрія / Ю.В. Куц, Л.М. Щербак – Тернопіль: Вид-во Тернопільського технічного ун-ту імені Івана Пулюя, 2009. – 383с.

Bulgarian Society for NDT International Journal “NDT Days” Volume II, Issue 1, Year 2019

ISSN: 2603-4018eISSN: 2603-4646

64

Improving the Efficiency of the Ultrasonic Flaw Detector

Anatolii PROTASOV, Valentyn PETRYK, Oleksandr POVSHENKO

Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute, Ukraine Phone: +38 044 2049547, Fax: +38 044 4068501; e-mail: a.g.protasov@gmail.com

Abstract In this paper, the physical principle underlying modern ultrasonic flaw detectors is considered. It is proposed a more effective algorithm for acoustic oscillation excitation. The phenomenon of electric damping was studied, a mathematical model of its realization was suggested and an experiment was conducted to confirm the above theory. The proposed way of modernizing the flaw detectors will increase the informative testing and reduce the dimensions of the device. This solution creates an opportunity to automate the system of data extraction and processing. Keywords: non-destructive testing, ultrasonic flaw detector, electric damping. 1. Introduction Today there is an urgent need for improvement, automation [1] and an increase in the performance of instruments and non-destructive testing systems [2]. More than 90% of the objects to be tested by acoustic methods use the reflection method (echo method). The quantity and quality of information received about the test object depends on the acoustic characteristics of adjacent materials, as well as the nature of the excited ultrasonic wave [3]. The resolution of the acoustic device depends on the frequency of the excited wave. An increase in the excitation ultrasonic wave frequency entails an increase in resolution. The geometrical resolution depends on the size of a quarter of the wavelength. If the size of the obstacle is less than a given wavelength, then the wave bypasses the obstacle without reflection. This factor determines the use of high-frequency oscillations as a method for defects searching. On the other hand, with a significant increase in the frequency of oscillations, the depth of testing decreases, since at high frequency we have a significant weakening of the signal level, this fact limits of the testing depth. The minimum testing depth is determined by the depth of the dead zone, which includes the duration of the probe sounding and the reverberation noise of the transducer. The echo-pulse method is used to measure the wall thickness of pieces and the presence of defects in them with one-sided access. When monitoring an object with a small thickness, the reflected signal returns earlier than the dead zone ends, which makes it impossible to detect a defect. To control objects with a small thickness, you should minimize the duration of the dead zone. 2. Background of problem solving The main method of eliminating the dead zone is the use of a delay line [4]. The delay line is a prism with an acoustically transparent material that is glued directly into the piezoelectric element. The height of the prism is usually selected depending on the duration of the dead zone or the depth of the near zone. Delay lines are used to detect subsurface defects, which is impossible to find using a conventional ultrasonic sensor [5]. The main disadvantage of sensors with a delay line is pulse amplitude decreasing in several times after passing through the delay line, which limits the scope of application. Another way to reduce the dead zone is to damp the

65

transducer. The most effective way of damping is the electric method, which greatly affects the quality factor of the sounding pulse [6, 7]. Let's consider the principle of operation of electrical damping and construct a mathematical model of the processes occurring in piezo transducers. In order for mathematical modeling to correspond to reality as much as possible, we take the real values of the quantities that will be used in the experiment. Namely, the amplitude value of the voltage A = 5 V and the resonant frequency of the ultrasonic sensor f= 1.25 MHz. In general, the dependence of the amplitude of damped harmonic oscillations on time can be determined by the formula: ( ) sin(2 )( )k xy x A e f x Vπ π− ⋅= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ − , (1) where f – signal frequency, x – time, k – coefficient of attenuation. In real closed systems, after the body receives some energy, it cannot remain unchanged. Energy is constantly transformed from one type to another to establish a balance. So, the energy of electrical and mechanical vibrations is transformed into heat and is expended on the performance of an effective action. Attenuation of harmonic oscillations occurs according to the exponential law (Fig. 1).

Figure 1. Attenuating harmonic oscillations (k = 0.5)

The total attenuation time of the oscillation depends on the level of the applied voltage and the frequency of the signal. During the experiment was determined duration of the dead zone, it was 8 – 10 μs. The process of electrical damping involves grounding the piezoelectric element immediately after the completion of the sounding pulse formation. Since the piezoelectric capacity is several pF (pico farad), the discharge process occurs extremely quickly, namely at 5 5T RCτ= = (99.9% of the capacitor charge), where R is the sum of the resistances of the open MOS transistor and the resistance of the conductors (in our case, 6 10R ≈ ÷ R ≈ 6 ÷ 10ohm), which in approximation gives us 50 200T ps≈ ÷ T ≈ 50 ÷ 200ps. However, to increase the quality of the probing signal, it is necessary to increase the electrical damping time ( edt tе ) to at least half the oscillation period 0 / 2edt T= tе = T /2. Since besides the capacitor charge energy, mechanical oscillations of the test object surface also affect the attenuation. In order to describe such a damping process mathematically, function (1) must be divided into intermediate equations:

sin(2 ), 0

( ) ( )sin(2 ),10k x

A f x t xy x V

A e f x x tπ π

π π− ⋅

⋅ ⋅ ⋅ ⋅ − > ≥= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ − ≥ ≥

, (2)

66

The first equation describes a zero-loss sensing pulse (k = 0). This is because the piezoelectric transducer is directly connected to the power supply. The duration of the first gap is equal to one oscillation period (the period is t = 0.8 μs for a sensor with a frequency of f = 1.25 MHz) after which the piezoelectric element is grounded. For the second equation, k was chosen by fitting. The main criterion for selection was the value of the p – n junction of the protective diode (≈0.65 V), since only after reaching this value, the capacitor will begin to discharge. In fig. 2 shows the attenuation of the harmonic oscillations at k = 1.5.

Figure 2. Application of electric damping to harmonic oscillations

As you can see, the attenuation time in the case of electric damping significantly decreases, namely to 3 – 4 μs. 3. Conduct an experiment The experimental data were obtained using a piezoelectric transducer with frequency f = 1.25 MHz. The total pulse amplitude is V(p-p) = 10V. For a better signal display, readings were taken from an oscilloscope with a sampling frequency of 300 MHz. In fig. 3 shows the process of damped harmonic oscillations that occur when a piezoelectric sensor is connected without using electrical damping. The formation of the excitation pulse occurs in two stages. At the first stage, a negative half-wave with duration of 200 ns is formed. Then a positive half-wave is formed with duration of 400 ns.

Figure 3. Harmonic oscillations of an ultrasonic transducer without damping

67

The picture clearly shows that the total amplitude of the signal (V (A (pp)) = 15V) exceeds the amplitude of the effective voltage, this can be explained by the quality contact of the sensor with the test object and the fact that the total energy consists of electrical and mechanical components. The sensing impulse itself undergoes significant distortions; this is due to mechanical noise. It does not affect its quality in any way. Let’s take for comparison the eighth period, the positive half-wave of which the amplitude value is 1 V. In the image of Fig. 4 shows the effect of applying electrical damping on signal attenuation.

Figure 4. Harmonic oscillations of an ultrasonic transducer with electric damping

It can be noted that the sensing impulse has not undergone significant changes. The electric damping effect on the harmonic oscillation is obviously, the second oscillation period has completely disappeared, however, the third positive half-wave is clearly visible, the amplitude of which is 1 V. Comparing this result with the previous image, we conclude that the effect of the proposed electrical damping qualitatively affects the signal quality. The effectiveness of electrical damping has been tested experimentally on a number of some materials. Table 1 show the penetration depth of the ultrasonic signal, which corresponds to the reduction of the dead zone by 5 periods.

Table 1. Depth of the dead zone with electrical damping

Material Penetration depth(mm) Material Penetration depth

(mm)

Copper 7.1 Steel 11.8

Glass 9.6 Aluminum 12.5

4. Conclusions Based on the ultrasonic flaw detector, the limitations arising during the inspection of materials were investigated. In order to improve the characteristics of the device, the excitation system of ultrasonic oscillations was revised, which led to the emergence of new ways of modernization. According to the results of the study, a mathematical model was created that describes the processes that occur during the formation of an acoustic wave in a piezo plate. The influence of electric damping on the processes of oscillations damping is described. The experimental results showed the adequacy of the proposed model. The use of electrical damping makes it possible to reduce the duration of the dead zone without losing the amplitude of the probe pulse, which qualitatively affects the result of the subsurface defects monitoring.

68

References 1. Протасов, А.Г. Телеметрический вихретоковый дефектоскоп / А. Г. Протасов, В. Ф. Петрик,

А. Л. Дугин // Журнал «Научни Известия на НТСМ»: материалы международной конференции «Дни НК 2014», г. Созополь, 09-18 июня, 2014 г. – Созополь, 2014. – № 1(150) – C. 34 – 36.

2. Petrik, V. Using wireless data transmission in eddy current nondestructive testing / Valentin Petrik, Anatolii Protasov, Kostiantyn Syeryy, Iuliia Lysenko // Приборостроение – 2017: материалы 10-й Международной научно -технической конференции, 1-3 ноября 2017 года, Минск, Республика Беларусь / Белорусский национальный технический университет; редкол.: О. К. Гусев [и др.]. – Минск: БИТУ, 2017. – С. 74-76.

3. Троицкий В. А. Ультразвуковой контроль сварных соединений К.: Феникс, 2010. — 224 с. 4. Галаган Р. М., Теоретичні основи ультразвукового неруйнівного контролю: Підручник

[Електронний ресурс]. Київ: НТУУ “КПІ ім. Ігоря Сікорського”. 2019. 263 с. 5. PetrykV., Wireless data transmission in ultrasonic nondestructive testing / Valentyn Petryk, Anatolii

Protasov, Kostiantyn Syeryy, Serhiy Ukrainec // Ж-л «Научни Известия на НТСМ»: материалы международной конференции «Дни НК 2017». – Созополь, 2017. – №1 (216). – С. 121–123.

6. Povshenko, O. Portable Ultrasound Flaw Detector /O. Povshenko, V. Petryk, A. Protasov// Неруйнівний контроль в контексті асоційованого членства України в Європейському Союзі: матеріали 2-гої науково-технічної конференції, Польща, м. Люблін, 15-19 жовтня 2018 року. – Люблін, Польша, 2018. – С. 34-36.

7. Галаган Р.М. Анализ погрешностей измерения скорости распространения ультразвуковой волны в многофазных порошковых материалах. часть 1: влияние субъективной погрешности /Р. М. Галаган, Г. А. Богдан /Вісник Національного Технічного Університету України «КПІ». Серія приладобудування – 2015 г. – № 49 (1). – С. 53-60.

Bulgarian Society for NDT International Journal “NDT Days” Volume II, Issue 1, Year 2019

ISSN: 2603-4018eISSN: 2603-4646

69

System for Diagnosing Main Pipelines of Heat Networks Based on UAVs

Artur ZAPOROZHETS

Institute of Engineering Thermophysics of NAS of Ukraine, Kiev, Ukraine, e-mail: a.o.zaporozhets@nas.gov.ua

Abstract The possibilities of thermal aerial photography for detecting different types of defects on pipelines in a functioning state are explored. The characteristics and capabilities of the proposed set of devices for monitoring thermal losses in pipelines based on quadrocopters are considered. The created hardware-software complex for diagnosing the state of trunk pipelines of heat networks based on the UAV is considered. The obtained experimental results, confirming the possibility of differences in the technical condition of pipelines. Keywords: UAV, main pipeline, heat networks, diagnostics, thermal aerial photography, hardware 1. Introduction In modern conditions, district heating systems in the Nordic countries reach a level of 60%, and in the CIS countries ‒ 80% of all systems that supply heat energy to residential, public and industrial buildings and structures. One of the main advantages of district heating systems is the possibility of using such types of fuel that are optimal in a technical and economic point of view and provide a greater ecological purity of the environment [1]. The main means of transporting thermal energy in the centralized heat supply are steel pipes with different types of insulation, and the prevailing methods of laying pipelines in cities are underground. [2] These pipelines with the necessary equipment form the heat network. In Ukraine, one of the world's highest saturation of cities with heat networks, while the total length of pipelines is about 47 thousand km. More than 20 thousand km of pipes with a diameter from 50 to 800 mm are on the balance of municipal heat power engineering enterprises. In most cases, the ducts of heat pipelines are not protected from the penetration of soil water and other moisture, which leads to significant losses of thermal energy, corrosion damage to the metal of pipes and emergency shutdown of consumers. The total heat loss in the functioning networks of district heating systems is about 30%. The term of trouble-free operation of such networks does not exceed 10-15 years. Replacing damaged pipelines will solve the problem of significant heat loss during its transportation to the final consumer, but at the moment this is not possible due to the economic situation. The only way out of the current situation is to monitor the technical condition of heating networks (especially trunk pipelines), timely detection of critical defects of such systems and their early elimination. 2. Features of thermal aerial photography There are many methods for diagnosing the technical condition of heat and power facilities [3, 4, 5, 6]. Thermal imaging is the registration of electromagnetic radiation from objects of control in the infrared range and its transformation into a visible image. Thermal aerial photography at the moment is the only way that in short periods of time allows to identify emergency and potentially defective sections of pipelines of heat networks [7, 8, 9].

70

With its help, it is possible to promptly examine large areas of the urban landscape and with high confidence to record the anomalous parts of the temperature field on the unpaved surface [10, 11, 12]. Typically, thermal aerial photography is performed at an altitude of 300-400 m along a system of parallel routes with an inter-route distance of 300-500 m, which provides at least 40% of the image overlap to obtain a picture of the distribution of thermal energy on the plane [13, 14, 15]. Thermal aerial photography is performed in early spring or late autumn in the absence of snow cover, when the heating networks are in operation mode. To eliminate distorting thermal effects from solar insolation, aerial photography should be carried out at night, less often during the daytime with high overcast clouds [16, 17, 18]. Aerial photography is not carried out with fog, precipitation and wind speed of more than 10 m/s. Hidden places of leakage of the heat carrier, zones of destruction of thermal insulation, areas of flooding of heat pipes are confidently fixed on thermograms obtained during thermal aerial photography [19, 20, 21] (Fig. 1).

Fig. 1. A snapshot of the residential area obtained during the thermal aerial photography

The studies carried out at the Institute of Technical Thermophysics of the National Academy of Sciences of Ukraine suggest that the method of thermal aerial surveys is able to diagnose the technical condition of the main pipelines of heat networks (Table 1). 3. Features of the processing of thermal images The development of algorithms is based on quality and speed of execution with high accuracy and low computational costs. Based on these requirements, the algorithm can be constructed according to the following logic [22]:

− thermal imaging (color) image is converted to black-white format (rank 0). In grayscale, the black-white image pixel values are in the range from 0 to 255 (0 is black, 255 is white);

− to reduce the computation time and cut off extraneous noise on the image, the pixel values are in the [0,127] range by a logical right shift by one bit;

− reduction of the image to rank 1 (reduction of the image in length and width by 2 times);

− application to the image of the convolution operator or the Laplace operator; − calculation of the threshold;

71

− binarization and selection of object boundaries. Next will be considered the input thermal image of rank 0, obtained from the thermal imaging device. If its dimensions are 640x480 (307200) pixels, then transformation to rank 1 will give an image with dimensions of 320x240 (76800) pixels. The color image is brought to grayscale by any of the known methods:

1. according to the CCIR-601 standard [ , ] 0.299 0.587 0.114 ;F y x R G B= + + (1)

2. by the arithmetic mean value of the color components of the three channels ( )[ , ] 3F y x R G B= + + ; (2)

3. fast (using an algorithm with green pixels) [ , ]F y x G= . (3)

where R – red, G – green, B – blue (digital image components). Further, it is rational to treat the image as a rectangular matrix of the size of nxm elements, the values of which are cut in the range from 0 to 127. The leading digit is sign, equal to zero, all values of the matrix are positive. Matrix filters are used to solve the problems of image preprocessing that perform the convolution operation, which allows to obtain response values, taking into account the values of the surrounding pixels, within the dimension of the core. This filter matrix is also called a convolution kernel — usually a square matrix of nxn elements, where n is odd. Various matrix filters are used to perform smoothing, remove noise in images, enhance clarity, highlight margins. Most of them have a dimension of 3x3 elements. For highly noisy thermal images, it is necessary to use relatively large masks. An example of such a discrete diagonal Laplacian with an 11x11 element filter is given in [23]. Further, the central element of the filter is superimposed on the studied pixel. The remaining elements are also superimposed on neighboring pixels. Next, the sum is calculated, where the terms are the multiplied values of the pixels and the values of the cell of the core that covered the given pixel:

[ ] [ ]( )5 5

2,

5 5[ , ] , , 2i

y xdy dx

G y x F y dy x dx D dy dx shr=− =−

= + + × , (4)

where iF – rank matrix I ϵ [0,1], shr2 – operation of logical shift right by two digits.

Table 1. Assessment of the state of the main heating networks using UAVs

Type Heat loss (%)

Characteristic

Normalized heat losses

5-10 Dry and integral insulation of pipelines, minimum heat flow from the coolant to the earth's surface

Increased heat loss

10-15 Wet or broken insulation of pipelines, which contributes to the nucleation of corrosive damage; in the thermal field can be displayed by a clear anomaly of the average brightness level and an increased width of the thermal trace

High heat losses

15-20 Damaged and damp insulation of pipelines, the canal is often filled with water from neighboring water pipelines with groundwater or melt water; in the thermal field is displayed as a high-contrast anomaly with a width several times larger than normal

72

Emergency condition

>20 Abnormalities of the thermal field have very high contrast and a broad indistinct shape due microrelief features

A logical shift to the right by two bits (division by 4) of the result of the convolution is made to bring it into the range [-32768, 32767], what twice reduces the amount of necessary memory and allows to get rid of the reaction to noise in the image. The greater the dimension of the convolution kernel, the more accurate the response can be expected from the current pixel, since the set of neighboring pixels are also involved in the convolution operation, which leads to a large number of calculations. Image processing by 11x11 filter implies a large number of multiplication operations, and there are two-digit numbers in this matrix, which will lead to an increase in time to calculate the value of one response. As a result, to reduce the computational cost, approximately 3 times, instead of the 11x11 operator, you should use an operator with a kernel size of 7x7 elements and then double the operator with a core of 3x3 elements, which will give an equivalent result when processed by one 11x11 operator. The method of competitive analysis gives a good result for pattern recognition on non-noisy images. However, in the conditions of noise, poor visibility or the presence of foreign objects it is also possible to apply the contour method using masks of a higher dimension, as well as introducing the definition of “singular points” ‒ extreme response values on such images. To determine the specific points, the algorithm of the Moravec detector is used as a basis, which compares the extremes at the corners of the image using local detectors. A black-white image arrives at the detector input. At the output, a matrix is formed with elements whose values determine the degree of plausibility of finding the angle in the corresponding pixels of the image. The threshold value allows to “drop” the pixels, the degree of likelihood of which is less than the threshold. The remaining points are special or extremes. The Moravec detector is a simple angle detector, estimating the change in pixel intensity (y, x) by offsetting a square window centered in the current pixel (y, x) by one pixel in each of the 8 directions. This method is implemented as follows:

− for each direction of displacement ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ){ }, 1,0 , 1,1 , 0,1 , 1,1 , 1,0 , 1, 1 , 0, 1 , 1, 1F u v ∈ − − − − − − , the change in

intensity is calculated ( ) ( )( )2

, ,( , ) , , ,u v a b

V y x I x u a y v b I x a y b∀

= + + + + − + + (5)where I(x+a) is the intensity of a pixel with coordinates (y, x) in the source image;

− builds a map of the probability of finding the angles in each pixel of the image by calculating the estimated function. Essentially, the direction is determined, which corresponds to the smallest change in intensity, because the corner must have adjacent edges;

− pixels are cut off, in which the values of the evaluation function are below a certain threshold value;

− recurring corners are removed using the NMS procedure (non-maximal suppression); − non-zero elements correspond to the angles in the image.

The use of the Moravec detector makes it possible not to calculate the change in intensity, but to immediately perform an analysis on the generated response matrix. The table of directions will determine the maximum and minimum values of the response value located in the center of the window:

[ ][ ]

, 0 [ , ] [ , ], 0 [ , ] [ , ]

G y x AND G y x G y dy x dxf

G y x AND G y x G y dy x dx > > + += < < + +

(6)

73

for all extremums [ ) ( ]1;0 0,1dy dx AND= ∈ − . Extremes can be in maximum proximity to each other through one element of the response, therefore, in order to reduce the number of iterations when an extremum is found, the following, in the direction of the sweep, the value is excluded from the comparison procedure. 4. Hardware of diagnostic system To carry out experimental studies of the monitoring system of the technical condition of heat pipelines, a multi-rotor type unmanned aerial vehicle, model MJX BUGS 3, was used. The MJX BUGS 3 quadrocopter (Fig. 2) is a world-renowned radio control toy manufacturer Meijiaxin Toys. The company is positioning this drone designed for both aerial photography and dynamic flights.

Fig. 2. MJX BUGS 3

The features of this quadrocopter include: − support for 3S batteries; − control of battery charge and flight distance; − long flight time; − axle suspension; − control at 2.4 GHz; − 360о flip; − LED-backlight.

The quadcopter case MJX BUGS 3 is made of nylon fiber, has established itself as a reliable and durable material, while the supports are made of ordinary plastic. The quadcopter MJX BUGS 3 is equipped with brushless motors of type MT1806 with a capacity of 1800kv. The manufacturer describes them as economical and efficient among the same type of brushless motors. Each motor provides 230 grams of traction. Also in quadcopter available speed controllers ESC with automatic anti-jamming, eliminating the possibility of burnout engines. Included with the drone is a axle-free suspension with manual vertical adjustment, adapted for installing a small load. The distance from the ground to the suspension is 80 mm. The quadcopter is powered by a 2S Li-Po battery with a capacity of 1800 mAh with a discharge current of 25C and an XT30 connector. According to the specification, the battery provides 19 minutes of continuous flight. The quadcopter kit also includes hardware operating at 2.4 GHz. Its distinctive feature is the function of intelligent remote control, reports a low battery or a long distance of the drone from the equipment. It is powered by 4 AA batteries. The maximum distance of the drone from the equipment is 300-500 meters.

74

During flight tests, the MJX BUGS 3 shows good flight performance even on the type 2S battery included in the kit. The 6-axis gyroscope works smoothly. In practice, the flight time of the quadcopter with a maximum load was 8 minutes. At a distance of 300 meters, the quadcopter clearly performs the specified flight directions The main advantages and disadvantages of the quadrocopter MJX BUGS 3 are shown in Table 2.

Table 2. Advantages and disadvantages of the model MJX BUGS 3

Advantages Disadvantages ease of use power feedback function with low charge and critical distancesuspension for cargo compatible with 3S-batteries LED backlight price

lack of dynamism charged battery as standard

To perform experiments with thermal imaging of heat supply pipelines on the basis of the UAV, a compact thermal imaging camera manufactured by Seek Thermal ™ (USA) (Fig. 3) was installed, which has a wide-angle lens with a total size of 2.5 x 4.4 x 2.5 cm resolution of 320 x 240. The greatest shooting distance is 610 meters, and the closest distance is 15 cm.

Fig. 3. XR Compact thermal imaging camera (Seek Thermal)

The appearance of the diagnostic system of main pipelines of heat networks is shown in Fig. 4.

(a) (b)

Fig. 4. Hardware complex for monitoring the technical condition of main pipelines: a) top view; b) bottom view;

1 – UAV, 2 – thermal imaging camera; 3 – communication device

75

5. Experimental research For monitoring extended objects (in our case, pipelines of heat networks) it is proposed to fly around the test object using a multi-rotor type UAV. This allows you to get high-quality photos and thermal images of the site of the heating system as an object of control for further analysis. The software allows you to use any topographic basis as a map. Binding can be done at two or more points. It is also possible to use as a topological basis of electronic maps. The program provides input, automatic control and editing of the route of the flight. An elevation can be specified for each waypoint. The results of measuring the thermal state of the heat grids were carried out using a thermal imaging camera, mounted on a UAV. Fig. 5 shows thermal images of sections of the heat network where experimental studies were conducted. The shooting was performed on November 22, 2018 at 18 p.m. on a cloudless sky at an air temperature of -4 °C.

Fig. 5. The working environment of the software complex based on Seek Thermal

Fig. 5 clearly shows the possibility of identifying defective areas of main pipelines using low power UAVs. 6. Conclusions Today we can state the rapid development of UAVs, which are mainly used in military operations. The list of subject areas of the use of UAVs for various other studies, operations, conventionally called non-military, is essentially limited. First of all, this limitation is due to the lack of created, developed and manufactured technical tools for conducting diverse studies, primarily measuring tools. It can be predicted that such an imbalance will soon be broken and the process of creating appropriate equipment for the UAV will be adjusted to conduct a wide range of research in various subject areas, among which the defense industry of the states will be priority and prospective. The creation of mobile information-measuring systems based on UAVs makes it possible to diagnose the state and dynamics of the characteristics in time and space of the studied environment, both in on-line modes and other modes. The on-line mode is especially effective in case of accidents in areas of spatially branched heat networks. With normal operation of the objects under study, the current remote control is the most economical compared with other means of control. This allows to use such measuring tools to create the necessary databases for diagnostics the characteristics of the thermal state of heat networks to predict their dynamics.

76

References 1. Babak V., Zaporozhets A., Kovtun S., Sergienko R. Diagnosing methods analysis of bulk heating

systems technical condition. The Scientific Heritage. Vol. 1, No. 14, 2017, pp. 59-65. 2. Babak V., Zaporozhets A., Kovtun S., Serhiienko R. Methods and Means of Heat Losses Monitoring

for Heat Pipelines. International Journal “NDT Days”. Vol. 1, No. 2, 2018, pp. 213-221. 3. Slippey A, Ellis M., Conway B., Yun H. Heat Pipe Embedded Carbon Fiber Reinforced Polymer

Composite Enclosures for Avionics Thermal Management. SAE Technical Paper. 2014-01-2189, 2014

4. Zaporozhets A., V. Eremenko, R. Serhiienko R., Ivanov S. Development of an Intelligent System for Diagnosing the Technical Condition of the Heat Power Equipment. IEEE 13th International Scientific and Technical Conference on Computer Sciences and Information Technologies (CSIT). 2018, pp. 48-51. doi: 10.1109/STC-CSIT.2018.8526742

5. Zaporozhets A., Eremenko V., Serhiienko R., Ivanov S. Methods and Hardware for Diagnosing Thermal Power Equipment Based on Smart Grid Technology. Advances in Intelligent Systems and Computing III. Vol. 871, 2019, pp. 476-489. doi: 10.1007/978-3-030-01069-0_34

6. Babak V.P., Kovtun S.I. Calibration thermoelectric heat flux sensor in the diagnostic system of thermal state of electric machines. Tekhnichna elektrodynamika. №1, 2019, pp. 89-92.

7. Dimov D., Velinov K. Application Fields of the Thermal Imaging Method. International Journal “NDT Days” Vol. 1, Issue 2, 2018, pp. 145-154.

8. Zaporozhets A. Analysis of methods for diagnosing heat energy objects. Science-based technologies. Vol. 35, No. 3, 2017, pp. 259-265. doi: 10.18372/2310-5461.35.11846

9. Babak V., Zaporozhets A., Sverdlova A. Smart Grid Technology in Monitoring of Power System Objects. Industrial Heat Engineering. Vol. 38, No. 6, 2016, pp. 71-81. doi: 10.31472/ihe.6.2016.10

10. Anweiler S., Piwowarski D., Ulbrich R. Unmanned Aerial Vehicles for Environmental Monitoring with Special Reference to Heat Loss. International Conference Energy, Environmental and Material Systems (EENS 2017). Vol. 19, 2017.

11. Zaporozhets A., Sverdlova A. Peculiarities of application of Smart Grid technology in systems for monitoring and diagnostics of heat-and-power engineering objects. Technical Diagnostics and Non-Destructive Testing. No. 2, 2017, pp. 33-41. doi: 10.15407/tdnk2017.02.05

12. Babak V., Zaporozhets A., Sverdlova A. Diagnostics of technical condition of thermal power objects based on distributed computing infrastructure. Scientific Proceedings on HTCM. Vol. 187, №1, 2016, pp. 85-89.

13. Chiesa S., Fioriti M., Fusaro R. MALE UAV and its systems as basis of future definitions. Aircraft Engineering and Aerospace Technology. Vol. 88, Issue 6, 2016, pp. 771-782.

14. Anweiler S., Piwowarski D. Multicopter platform prototype for environmental monitoring. Journal of Cleaner Production. Vol. 155, Part 1, 2017, pp. 204-211. doi: 10.1016/j.jclepro.2016.10.132

15. Carlson J, Menicucci D., Vorobieff P., Mammoli A., He H. Infrared imaging method for flyby assessment of solar thermal panel operation in field settings. Applied Thermal Engineering. Vol 70, Issue 1, 2014, pp, 163-171. doi: 10.1016/j.applthermaleng.2014.05.008

16. Harvey M.C., Rowland J.V., Luketina K.M. Drone with thermal infrared camera provides high resolution georeferenced imagery of the Waikite geothermal area, New Zealand. Journal of Volcanology and Geothermal Research. Vol. 325, 2016, pp. 61-69. doi: 10.1016/j.jvolgeores.2016.06.014

17. Nishar A., Richards S., Breen D, Robertson J., Breen B. Thermal infrared imaging of geothermal environments and by an unmanned aerial vehicle (UAV): A case study of the Wairakei – Tauhara geothermal field, Taupo, New Zealand. Renewable Energy. Vol. 86, 2016, pp. 1256-1264. doi: 10.1016/j.renene.2015.09.042

18. Pajares G. Overview and Current Status of Remote Sensing Applications Based on Unmanned Aerial Vehicles (UAVs). Photogrammetric Engineering & Remote Sensing. Vol 81, Issue 4, 2015, pp. 281-329. doi: 10.14358/PERS.81.4.281

19. Tsanakas J.A., Ha L., Buerhop C. Faults and infrared thermographic diagnosis in operating c-Si photovoltaic modules: A review of research and future challenges. Renewable and Sustainable Energy Reviews. Vol. 62, 20166, 695-709. doi: 10.1016/j.rser.2016.04.079

77

20. Yahyanejad S., Rinner B. A fast and mobile system for registration of low-altitude visual and thermal aerial images using multiple small-scale UAVs. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing. Vol. 104, 2015, pp. 189-202. doi: 10.1016/j.isprsjprs.2014.07.015

21. Kovacs M., Gaman G.A., Pupazan D., Calamar A., Irimia A. Research on the potentiality of using aerial vehicles for monitoring the environment agent – air. Journal of Environmental Research and Protection. Vol. 13, Issue 3, 2016, pp. 33-38.

22. Loginov I.D. Processing and segmentation of thermal images. Young Scientist. Vol. 147, №13, 2017, pp. 62-71.

23. Zaporozhets A.O., Kovtun S.I., Dekusha O.L. Determination of the technical condition of heat networks based on the processing of thermal imaging. IEEE 14th International Scientific and Technical Conference on Computer Sciences and Information Technologies (CSIT). 2019 (in press)

Bulgarian Society for NDT International Journal “NDT Days” Volume II, Issue 1, Year 2019

ISSN: 2603-4018eISSN: 2603-4646

78

Multi-sensory Device for Real-time Monitoring of Environmental Parameters

Deyan GRADINAROV, Yuri BIJEV

Institute of Metal Science, equipment, and technologies with Center for Hydro- and

Aerodynamics “Acad. A. Balevski” at the Bulgarian Academy of Sciences, Sofia, Bulgaria, e-mail: deyangradinarov@gmail.com

Abstract The need for constant monitoring of our environment require the invention of multi-sensors devices that are able to provide changes of parameters of our environment and to make this information available on the Internet. In this work we present a multi-sensory device that gives information about the temperature and humidity, illumination and electromagnetic radiation, vibration, air pressure changes, air contamination with CO, CO2 gases and fine particulate matter in a residential area. Information provided by this device is processed by single-chip microcontroller with ultra-low power consumption. The obtained information is transmitted through the Internet intermediary device (middleware), which is in direct connection with a standard internet router. Transferred information is stored in a database on a server and visualize through Web based system that allows to monitor the measured parameters from anywhere in the world through a standard internet browser. Keywords: Multi-sensory devices, environmental parameter monitoring, electronic, detectors, Internet 1. Introduction The development of microelectronics, the advancement of sensor technologies and the great popularity of the Internet allows the development of multi-sensor devices which can be communicated and managed via the global network. The sensor is a device that converts physical and / or biological parameters into electrically measurable currents and voltages. The measured electrical quantities must be calibrated. After that, it is converted to a digital format and sent to a microcontroller for further processing and control. Most of the sensors, regardless of their type, can be included as part of a unified system that has the capability to communicate between their individual elements. In this way, it is possible to continuously monitoring the data from the sensor device, recording them in databases for an indefinite time period, which allows for more in-depth and more accurate analyses and consequently possible solutions to problems or their prevention. Multi-sensor devices can be used to monitor environmental parameters and evaluate factors that affect people's health. Every day, the human body is exposed to a number of external physical factors such as temperature, humidity, atmospheric pressure, light, sound, vibration, various sources of electromagnetic radiation. The concentration of CO and CO2 dust particles in the air also strongly affect the state of the human body. Going out of range for each one of these parameters may be associated with a serious risk to human health. The change in atmospheric pressure is often associated with insomnia, fatigue, dizziness and nausea [1] and may also aggravate depressive states [2] as well as to increase neuropathic pain [3]. The main physiological challenge for the body when atmospheric pressure varies is the change in pulmonary gas exchange and in particular – low atmospheric pressure – hypobaric hypoxia [4]. The concentration of dust particles indoors is associated with an increased risk of

79

pulmonary diseases [5, 6]. Inhalation of fine particles less than 2.5 microns in diameter may lead to short-term and chronic respiratory disorders, such as asthma exacerbation, increased sensitivity to pulmonary infections and decreased lung function [7]. Concentration of dust particles in enclosed spaces is considered to be a cause of dry and irritated lining of eyes and airways but some researches [8] show that low relative humidity is the main factor influencing air quality and causing irritation symptoms. Temperature is another important factor in the room environment, which affects air humidity, working capacity and the general state of the body [9] and should be considered along with the other parameters. Increased concentration of CO2 leads to poor working capacity and a feeling of fatigue [10]. CO long-lasting binds to hemoglobin in the blood, thus preventing oxygen transmission to the tissues, resulting in a disturbance of the functions of the nervous and cardiovascular systems [11]. Vibration in buildings disturbs the feeling of comfort [12], and environmental noise is a risk factor for elevated blood pressure, that may have temporary and lasting effects on the blood system [13] and lead to sleep disturbances [14]. The level of illumination in the living and working premises also affects the self-esteem, the working capacity and the psychological status of the person [15]. With the introduction of mobile technology in the countryside over the last 15 years, the level of electromagnetic loading in large cities has increased many times. The effect on the human body is still being investigated [16], but many authors, including the European Commission [17], suggest that there is a significant effect on electromagnetic fields (0 Hz to 300 GHz) on human health. There are developments of multi-sensors that combine temperature and humidity [18], UV radiation, ozone and ozone concentration [19]. Szewcyzk and co-authors (2009) focus on how data is visualized without serious adjustments being required, while data is most useful to the user, focusing mainly on the software part of the devices [20]. It is noteworthy that none of the multi-sensors are included in a complete system, some authors have focused on software development, others are only concerned with the sensor part. Moreover, there are no devices that are specialized in enclosed living quarters in which the received data are interpreted and related to the creation of a healthy environment for the people. The creation of a device as part of a complete real-time monitoring system for the above-mentioned parameters is applicable both for individual monitoring and optimization of indoor environments and for conducting a real longitudinal study of the effects of the surrounding environment on the human body. This publication presents the basic layout of the multi-sensor for surveillance of environmental parameters specialized for closed residential premises – called MOPHIP, made by the authors’ team. 2. Specific instructions On Fig. 1 is presented the main scheme of the surveillance system of environmental parameters specialized for closed residential premises. The environment parameters are monitored by intelligent multi-sensors that transmit the received information to an interconnect connected to the Internet. The resulting information is recorded and processed in a user-oriented Web portal where the user can monitor it at any time and from anywhere on the planet. On the other hand, from a user-oriented Web portal to the system, the user can switch on or off or transmit commands of different types to intelligent sensors or other types of devices to adjust the desired parameters.

80

Fig. 1. Main scheme of the surveillance system of environmental parameters

3. Specific instructions The multi-sensor combines various sensors. Its principle scheme is shown on Fig. 2. The coordination of the sensors in the multi-sensor, as well as the transmission of the received information, is carried out by a microcontroller MSP430G2553.

Fig. 2. Main scheme of the multisensor for monitoring and control

The transmission of the collected information to an intermediary device is via a radio link (XBee) from where the data is forwarded to a personal computer. The multi-sensor is a recording device with an acceptable measurement error. The tool error is related to its circuit

Environmental parameters

Sensors

Transitional device

Regulators

WWW

Web portal

Illumination

Vibrations

Noise

CO and CO2

Dust particles

RF

Relative humidity and temperature

Atmospheric pressure and

MSP430 F5438

Battery

Xbee 2,5[mW]

Mini USB

ADCs

SPI

81

design and the quality of the elements used, it is expected to work in the climate temperature zone and has no destabilizing effect on external factors. It is relatively small and is due to deviating the parameters of the elements from their nominal values. Methodological errors are greater and are due to the simplification of the functional dependencies of the sensors – linearization of transformation functions and tabulation and from discretization. For construction of the multi-sensor we use industrial sensor blocks that are available on our market. They have the advantage of being pre-calibrated, consuming low power. The sensor blocks we use are: - HIH6130 relative humidity and temperature sensor. It is a temperature compensated relative humidity sensor with digital output. Enables communication with the processors via I2C and SPI. Works reliably in the temperature range from -25°C to 85°C. It is powered by a 3.3V battery and has a working consumption of 1mA. Its ability to enter "sleep" mode gives extra battery life and implies long use without the need to change it. - The MPL115A1 is calibrated by the manufacturer digital temperature and atmospheric pressure sensor. It measures absolute pressure within the range of 50 to 115kPa with an accuracy of ±1kPa. Just as the previous sensor is powered by a 3.3V battery at 10mA consumption. The CPU connection is via the SPI interface. Works reliably in the temperature range of -20°C to 85°C. - GP2Y1010AU0F is an optical particle sensor that distinguishes between household dust and cigarette smoke. One of its advantages is the possibility of changing the input impulses, which enables energy-saving control when using the sensor. The power saving mode, as well as a multivariate power supply in the range of 3 to 5V, and the relatively low power consumption of max 20mA at full, allow both normal and long-term battery operation. In the range of 0 to 0.5m/m3 the characteristic is linear with an error of 1.5% which allows correct reading to be given in case of low level of dust particles and/or smoke in the rooms. Sensors with high sensitivity to higher concentrations of certain gases have special requirements to voltage supply and have higher consumption. This determines their use only in the presence of a mains supply and the corresponding stabilization schemes. - The gas sensor MQ-6 (Henan Hanwei Electronics Co., Ltd) is characterized by high sensitivity to isopropane, butane and other flammable gases used in households but has a low sensitivity to alcohols and cigarette smoke. The sensor part consists of a SnO2 semiconductor, which has less resistance to fresh air. The resistivity of the sensing element increases in proportion to the amount of gas in the room. It is suitable for detecting gas leakage in households and industrial premises. It is powered by a 5V supply voltage with consumption ≤900mW, and additionally 24V supply voltage is required for the measuring circuit. The output signal is buffered with an operational amplifier which allows pre-amplification and calibration of the signal before its digital processing and analysis. The output signal of the base test circuit is calculated by the formula (1):

1CS L

L

VR RVR

= −

(1)

where RS is the resistance of the sensor, VRL is the measured voltage on selected load resistance RL and VC is the test voltage.

82

- The CO Sensor MQ-7 (Henan Hanwei Electronics Co., Ltd) is used to determine the relative concentration of carbon monoxide in residential and industrial premises. As with MQ-6, the sensitive material of MQ-7 is SnO2, which has a lower conductivity for pure air. Detection of CO is performed by cyclic method at high and low temperature. CO is adsorbed upon the sensitive element at low temperature (heating is done with 1.5V). The conductivity of the sensor increases as the gas concentration increases. At high temperature heating the voltage goes to 5V. This cycle is used to clean the sensor from residual or other gases. The mode of operation of the sensor requires a power supply, which is carried out with two voltages – 5V with 70mA of heating element consumption and 10V for the measuring circuit. As with MQ-6 for signal processing, a buffer operational amplifier is used. For calculation of the resistance of the sensor it is used formula (1). For the normal functioning of the CO sensor MQ-7, the following conditions must be met: Exposure to organic silicon vapor, highly aggressive and corroding gases, alkalis, alkali metal salts, halogen pollutants, wetting and freezing is strictly forbidden. It is also advisable to avoid condensation of water on the sensor, usage in highly concentrated gas environment, exposed for a long time in adverse conditions, vibrations and shocks. - The CO2 sensor MG811 (Henan Hanwei Electronics Co., Ltd) is characterized by good selectivity for carbon dioxide and can be used for air quality control and indoor CO2 concentration determination. The carbon dioxide registration mechanism is based on the following chemical reactions:

Cathodic reaction: 2Li+ + CO2 + ½O2 +2e- =Li2CO3 Anodic reaction: 2Na+ + ½O2 +2e- =Na2O Complete reaction: Li2CO3 + 2Na+ = Na2O + 2Li+ + CO2

As a result of this reaction an electromotive voltage (EMF) is generated, which is calculated on the Nernst equation (2):

22 ( ( ))CRTEMF E

Fln P CO= − (2)

where P(CO2) is the partial pressure of the CO2 gas, EC is a constant volume, R is the bulk gas constant, T-temperature, and F is the Faraday constant. For correct operation of the sensor, a stabilized power supply of 6V. The relatively high consumption of 200mA requires the use of a power supply rather than a battery. Boosting the signal with an operational amplifier allows for easier data processing and analysis. - The electromagnetic emission sensor is built on the LMH2120 (Texas Instruments), which is a power detector particularly suitable for measuring the power of modulated RF signals. Its output voltage is linearly dependent on the power of the input radio frequency. This makes it easy to integrate using equation 3 and decreasing the calibration effort. The device operates with a supply voltage of 2.7V to 5V. Through this sensor, the electromagnetic radiation from different types of wireless telecommunication networks can be registered. The frequency range of the sensor is 50 to 6000MHz. The dynamic range is 40dB.

21 ( ) ; RMSRMS

VV v t dt PT R

= = (3)

where T is the integration interval, v(t) is the momentary measured voltage, VRMS is the mean square signal voltage, R is the load impedance, and P is the signal power. The described sensors can be successfully replaced by equivalent by another manufacturer. For the determination of luminance, noise and vibrations, relatively simple circuits are used, the signal from which is amplified and calibrated by operational amplifiers. These circuits give signal with good precision. In our work, we have been striving to create power-saving sensors

83

that use a 3.3V battery and control the multi-sensor by an inexpensive one-chip microcontroller with low power consumption. The illumination is measured with a photoresistor connected in bridge circuit. The noise sensor is made up by an electronic microphone whose signal is amplified with an operational amplifier in the frequency range from 40 to 16000Hz. For determining the level of low frequency mechanical vibrations, piezo plate is used, the signal is amplified and filtered in the frequency range of 0.5 to 35 Hz. 4. Conclusion This paper presents the principle of a multi-sensor, called MOPHIP, composed of various sensitive elements for temperature, humidity, atmospheric pressure, illumination, sound, vibration, various sources of electromagnetic emissions, particle concentration, air concentration CO and CO2. This multi-sensor is part of a complete system for individually monitoring and optimizing indoor environments. The system is implemented as a combination of MOPHIP and coordinating devices without interfering with normal data exchange. MOPHIP can operate in low-consumption mode and wake up by the user when submitting command. Once the command is executed, the sensor modules re-enter the low-consumption mode. The ability to transmit information to a user web portal on the Internet and to receive commands from it makes it extremely convenient to work from anywhere in the globe. Acknowledgements The authors are grateful for the financial support provided by contract № FFNNIPO_12_00329/29.10.2013г. of FSI. References 1. Imraya, Ch., A. Wright, A. Subudhi, R. Roache, Prev. & Treat. Progress in Cardiovascular Diseases,

vol. 52, p. 467–484, 2010. 2. Mizoguchia, H., K. Fukaya, R. Moria, M. Itoha, M. Funakubo, J. Satoa, Behavioural Brain

Research, vol. 218, p. 190–193, 2011. 3. Sato, J., Y. Itano, M. Funakubo, H. Mizoguchi,M. Itoh, R. Mori, Neuroscience Letters, vol. 503, p.

152– 156, 2011. 4. Risdall, J. E., D.P. Gradwel, Extremes of barometric pressure. Anaesthesia and intensive care

medicine., 2011. 5. Karr J., C. B. Rudra, K. A. Miller, T. R. Gould, T. Larson, S. Sathyanarayana, J. Q. Koenig,

Catherine Env. Res, vol. 109, p. 321–327, 2009. 6. Wong, L.S. N., H.H. Aung, M.W. Lamé, T. C. Wegesser, D.W. Wilson, Toxicology in Vitro, vol.

25, p. 1895–1905, 2011. 7. Liu, X, Ch. H. Frey, Atmosph. Env., vol. 45, pp. 4745-4752, 2011. 8. Wolkoff, P., S. K. Kjærgaard, Env. Intern., vol. 33, p. 850–857, 2007. 9. Morabito, M., A. Crisci, M. Moriondo, F. Profili, P. Francesconi, Sci. of the Total Env., vol. 441, p.

28–40, 2012. 10. Rice S. A., “Human health risk assessment of CO2: Survivors of acute high-level exposure and

Populations sensitive to prolonged low-level exposure.,” in Third annual conference on carbon sequestration. May 3-6, 2004.

11. Amitai, Y., Z. Zlotogorski, V. Golan-Katzav, A. Wexler, D. Gross, Neuropsychological Impairment From Acute Low-Level Exposure to Carbon Monoxide, 1998.

12. Nhleko, S. P., M.S. Williams, “Blakeborough. Vibration Perception and Comfort Levels for an Audience Occupying a Grandstand with Perceivable Motion.,” in Proceedings of the IMAC-XXVII February 9-12, 2009.

84

13. Chang,Ta-Y., Chiu-Sh. Liu, H.-H. Hsieh, Bo-Y. Ba, J.-S. Lai,, Env. Res., vol. 117, p. 112–117, 2012.

14. Muzet A., Sleep Med. Rev., vol. 11, p. 135–142, 2007. 15. Veitch J. A., J. Illumin. Eng. Soc., vol. 30, no. 1, pp. 124-140, 2001. 16. Genuis S. J., Public Health., vol. 112, no. 2, p. 113-124, 2008. 17. Barroca, N., L. M. Borges, F. J. Velez, F. Monteiro, M. Górski, J. Castro-Gomes, Constr. and

Building Mat., vol. 40, p. 1156–1166, 2013. 18. http://ec.europa.eu/health/ph_risk/committees/04_scenihr/docs/scenihr_o_006.pdf 19. De Maria, L., Bartalesi, D., P. Serragli, G. M. Ogliari, G. Pirovano, A multi sensor device for

monitoring predischarges in medium Voltage equipments., 21 International Conference of Electrical Distribution, 2005.

20. Szewcyzk S, K. Dwan, B. Minor, B. Swedlove, D. Cook, Technol. Health Care., 17(3):161-169, 2009.

Bulgarian Society for NDT International Journal “NDT Days” Volume II, Issue 1, Year 2019

ISSN: 2603-4018eISSN: 2603-4646

85

Organization of Еducation for NDT Еngineers

Yordan N. MIRCHEV, Mitko M. MIHOVSKI

Institute of Mechanics - BAS, bl. 4, Acad. G. Bonchev Str., 1113 Sofia, Bulgaria Phone: +359 2 9797120; е-mail: mirchev@imbm.bas.bg, nntdd@abv.bg.

Abstract This material analyzes what has been achieved and proposed implementation of mechanism for academic education of NDT engineers. Keywords: NDT engineer, academy edducation.

Относно организиране на обучението на инженери по NDT

Йордан МИРЧЕВ, Митко МИХОВСКИ 1. Увод

През последните години сред общността и специалистите по безразрушителен контрол в света започна обсъждане на необходимостта от въвеждането на обучение на инженери по безразрушителен контрол [1÷3]. Изхожда се от постигнатите успехи и успешното внедряване на инженери по заваряване. Разработен бе и проект на Европейски стандарт ISO/TC 21759/-2018 за обучение и квалификация на тези инженери. След продължително обсъждане по-нататъшното развитие на стандарта бе преустановено.

В гилдията на дефектоскопистите има вече натрупан опит в инженерното образование което се надгражда над обикновеното инженерно образование на специалисти, сертифицирани по БДС EN ISO 9712. 2. Защо са необходими инженерите по БК

Според [1] необходимостта от високо подготвени специалисти по безразрушителен контрол се налага по следните причини:

− необходимостта от разработване и прилагане на мощни високоефективни методи за NDT;

− тенденциите в икономическото развитие, с цел на достигане на необходимата безопасност;

− същественото разминаване между познанията и компетентността на специалистите по NDT и отговорните лица;

− бързо променящите се технологии в NDT; − необходимостта от нови подходи за реализация на NDT в системи от

енергетиката, газо- и нефтопроводи, нефтохимическата промишленост и др. области;

86

− необходимостта от единен подход на специалистите по NDT, специалисти по ресурса и собствениците, при вземане на решения за бъдещето на контролираните обекти;

− постигането на нормите за подготовка на инженери в Европейската общност. 3. Основни компетенции на инженера по БК

Основните компетенции на инженера по NDT в [1÷3] са формулирани по следния начин:

− физични основи на методите за NDT; − области на приложение на методите за NDT и ограниченията им; − надеждност на контрола и възпроизводимост на резултатите; − особен подход при контрола на високорискови обекти; − подходи за споделяне на състоянието на обекта; − нови технологии за прилагане на информацията, технологична и техническа

диагностика; − методи за моделиране и симулиране; − активно използване на квалификацията при контрола; − глобализиране на NDT (стандарти, квалификация и сертифициране на

персонала). 4. Каква подготовка е необходима

Инженери по NDT, според [1], може да имат познания в следните области: − материалите – получаване, обработка, условия на експлоатация, механични и

физични свойства, механично нарушаване, структурни особености, поведение при натоварване и влияние на околната среда (корозия, ерозия), отклонения при продължителна експлоатация и др.;

− механика на разрушаването с отчитане на действащи физични, механични, магнитни и др. полета.; методи за пресмятане и оценка на влиянието им, мониторинг и деградация на материала;

− обща подготовка за решаване на инженерни проблеми; − използване на стандартите и изискванията за безопасност; − познаване на методите за вземане на икономически и управленчески решения; − висока езикова подготовка и международни контакти.

5. Достъп на обучение на инженери по БК

Условия на достъп за образователната степен „инженер по NDT“ са дефинирани в [2]. Предлагат се следните критерии за минимален опит в областта на БК:

− магистърска степен по инженерни науки + 3 години опит в БК; − бакалавърска степен по инженерни науки + 5 години опит в БК; − лица с друго образование (полувисше) + 8 години опит в БК. Необходимо е да се придобие опит в следните области: производство,

машиностроене, строителство, контрол, проектиране, експлоатация на съоръжения, енергетика, транспорт, авиация.

87

6. Учебна програма за подготовка на инженери по БК

В [2] се прилага следната програма за обучение, като са предложени и необходимите учебни часове (УЧ) за подготовка в различни области на науката.

Таблица 1. Програма за обучение на “инженери по NDT“

Области УЧ1. Управленски умения 1.1.Бизнес етика 81.2.Организация на работата с човешки ресурс

24

1.3. Икономика 241.4.Връзки с клиенти 161.5.Технически програми 81.6.Управление на технологиите 161.7. Управление на качеството 161.8.Управление на проекти 161.9 Организация на управлението 16

Области УЧ2. Технически умения 2.1. VT 242.2. PT 162.3. MT 482.4 RT 482.5 UT 482.6 ET 162.7 LT 162.8 Техническо чертане 162.9 Други методи (ТТ, АЕ и др.) 162.10 Нови методи 162.11 Материали 162.12 Оценка на механични напрежения 42.13 Оценка на остатъчни напрежения 42.14 Производства свързани с някои дефекти 82.15 Отказ на машини, повреди и анализ на разрушаването

32

2.16 Физично металознание 162.17 Механични изисквания и разрушаващи изпитвания

16

2.18 Безопасност 162.19 Финансова оценка на NDT проекти 82.20 Процедури, инструкции, документация 42.21 Стандарти по NDT 42.22 Квалификация на NDT 42.23 Проектиране и концепции в NDT 42.24 Рисково ориентиране на NDT 82.25 NDT пригодност при експлоатация 82.26 NDT при ремонт и експлоатация 162.27 NDT за откриване на корозия 322.28 NDT в строителството 82.29 NDT за подводни обекти 42.30 Осигуряване на качеството при NDT 4231 Калибриране при NDT 42.32 Квалификация на персонала 82.33 информационни и комуникационни умения в NDT

40

2.34 Математически изчисления при NDT 16

В [3] се подчертава, че специалността „Инженер по NDT“ е интердисциплинарна, като обхваща научни изследвания, технологии и инженерна практика. Тя контактува непосредствено и с други нови специалности, които се развиват днес.

Специалността „Инженер по NDT“ чрез успешно съчетаване на материалознание, физика, механика на разрушаването и други науки гарантира повишаване на надеждността и безопасността на обектите за контрол чрез гарантиране на тяхната цялостност. Специалността има социална насоченост и търговска цел.

При подготовката на специалистите се разчита, че те ще се запознаят с нови материали, нови проектни решения на конструкциите, както и с поведението на

88

конструкции в условия на експлоатация. Разчита се, че NDT от контрол за откриване на отклонения се превръща в дейност по оценка на размерите на нецялостностите. Основна задача е възможността, на основата на информация от измерване на размерите на нецялостностите, да се оцени съответствието на обекта с изискванията по стандартите.

Особено внимание е необходимо да се отдели на процесите на умора и деградация на материала, с цел последваща оценка на ресурса. От особено значение това е необходимо за АЕЦ, газо- и нефтопроводи. Тези обекти вече имат повече от 40-50 години период на експлоатация.

Инженерите по NDT е необходимо да получат и познания по управление на дейността по NDT. 7. Постижения в подготовката на инженери по БК

В настоящия момент имаме информация за реализация на подготвени инженери по NDT в следните страни: Русия (в МЭИ и Университет в Бауман в Москва), в Германия (Международен университет в Дрезден и Университета в Саарбрюкен, в сътрудничество с Китай), в България (ТУ – Варна).

По-долу ще представим кратка информация за постигнатото в тези университети. В Международния университет в Дрезден и в Университета в Саарбрюкен

обучението е и на английски език. Обучението е на ниво магистър с продължителност 4 семестъра с подчертан научно-изследователски клон. Изучават се следните дисциплини: I семестър:

− Материалознание (метали, полимери, композити); − Измерване; − Механика на разрушението, вибрации, числени методи за обработка на

информацията; − Увод в NDT и в качество на управлението;

II семестър: − Усвояване на основите на NDT;

III семестър: − Насочен към развитие познанията по избрания базов метод; − Участие в научни и научно-приложни изследвания в научни центрове;

IV семестър: − Подготовка на изпит за магистър. Има подчертан интерес към магистърските програми както от студенти и млади

инженери, така и от изследователските центрове. Идеята за допълнително инженерно образование в областта на БК в България

премина през няколко етапа. Още при организиране на първите курсове за подготовка на специалисти-

дефектоскописти, в рамките на изискванията на EN 473 и утвърдените програми за обучение в рамките на сътрудничеството между източноевропейските страни в рамките на СИВ, бе приета специална програма за специалисти с основно инженерно образование, което включваше, както изисквания по стандарта, така и допълнителното обучение по материалознание, механика на разрушаване на материалите, математическа обработка на експериментални данни. Обучението на специалистите-инженери завършваше с подготовка и защита на дипломна работа пред авторитетна независима комисия. Тогава все още в България не бе въведена системата за сертификация на специалистите в сертификационни центрове.

89

Натрупаният положителен опит и анализа за необходимостта от високо подготвени специалисти позволи на водещите институти (ТУ-Варна и Имех-БАН) да организират обучение и на инженери по специалност „Диагностика и БК“. Програмата за обучение на специалистите включваше подготовка на изделия чрез металолеене, заваряване, механична обработка и др., физични свойства на материалите, математика, механика и съпромат, особености на химическото производство (предвид реализация на част от специалистите в химическото производство в Девня), метрология, вибродиагностика и на практика всички методи за БК, както и методи за оценка на корозия (във връзка корабостроителните дейности във Варна).

Подготвени бяха повече от 30 специалисти в областта на вибродиагностиката и БК. В програмата се предвиждаше и подготовка на дипломни работи. Материалната база за обучение на специалистите за тези години бе на високо ниво, като се използваха институтските лаборатории на ТУ по материалознание, вибродиагностика, механични изпитвания, физика, както и лабораториите по механика на деформируемото тяло и лаборатория „Механика, диагностика и безразрушителен контрол“ в ИМех-БАН.

Част от завършилите успешно образованието си се реализираха в лаборатории и органи за контрол в областта на вибрациите и БК. Няколко души продължиха образованието си чрез подготовка на дисертации за присъждане на научната степен „доктор“.

Едно сравнение на програмите за обучение на тези инженери с обсъжданите програми в EF NDT показва, че сега се препоръчва и допълнително обучение:

− мониторинг; − оценка на ресурса. За съжаление тази чудесна инициатива за подготовка на инженери по БК бе

унищожена в условията на прехода и под влияние на лични амбиции на водещи политици.

Като бледа следа от тази дейност остана възможността от магистърско обучение на специалисти по БК, то не се разви, поради отсъствието на базова подготовка на специалистите и намаляване необходимостта от подготовка на кадри за производството на метални изделия, за нефто- и газопроводи, за строеж на атомни централи.

В условията на отговорни планове на правителството за строеж на Южен поток и АЕЦ, по инициатива на ННТДД бе организиран клъстер на БК в който влязоха основните ВУЗ и академични звена. В него една от дейностите бе подготовката и организирането на специалисти с висока квалификация в областта на БК.

Отново правителствените решения за спиране на тези строежи провалиха тези добре формулирани цели и задачи.

Днес, все пак и с помощта на ННТДД, в ТУ-София, ТУ-Варна и Шуменския университет има дисциплини по БК за машинни инженери. В магистърските програми на ВТУ „Т. Каблешков” е включено обучение по БК и метрология.

Като сериозни проблеми при реализацията на обучение на инженери по БК и диагностика считаме, че могат да се формулират следните:

− застаряване на водещите преподаватели; − недостатъчно подготвени млади кадри за преподаватели; − недостатъчно съвременно оборудване (което може да се преодолее при целево

финансиране); − незаинтересованост на държавните органи и водещи фирми от привличане на

висококвалифицирани специалисти. Понастоящем за инженери се препоръчват общи вузове по БК в ТУ-София и

Шуменския университет.

90

Акредитацията за обучение на магистри по БК има в ТУ-София и ТУ-Варна, съвместно с ИМех-БАН.

Акредитация за подготовка на магистърска степен има в ТУ-Варна, ТУ-София, и ИМех-БАН.

Обучението в областта на NDT инженери се фокусира върху: − поддръжка на академични образователни системи в областта на NDT; − разрушителни методи за използване на материали, съединения и конструкции; − безопасност на технологиите; − оптимизиране на производството и гарантиране на качеството.

Заключение

Задачата на инженерите по NDT е да управляват процеса на провеждане на безразрушителна оценка с цел да се осигури безопасност, чрез предварително откриване на нецялостности и отклонения и да се гарантира качеството на обекта в съответствие с предназначението му по спецификация за ефективна и безотказна работа.

Решаваната задача от NDT-инженерите има две страни: − контрол на качеството (QC-NDT) на основите на стандарта; − прилагане на комплекс от методи и подобряване на възможностите за

проектиране, производство, ефективно използване и високо подготвен персонал. За реализиране на задачата за подготовка на инженери от страна на ННТДД и

използване на експерти следва да се направи следното: − активно участие в международните обсъждания на ниво EF NDT, IC NDT и

INDT Academy с цел хармонизиране на изискванията по процедурите за подготовка на специалистите по БК;

− запознаване на държавните институции на ниво Министерство на образованието и науката и техническите вузове с необходимостта от въвеждане на тази дисциплина;

− запознаване на лабораториите и органите за контрол които имат за задача провеждането на БК, че в рамките на съвременния живот, един от пътищата за повишаване на възможностите на звената, както и за успешното решаване на въпросите на съвременния контрол е използване на високо подготвени инженери по БК;

− насочване на млади специалисти към тази нова професия чрез провеждане на подходяща дейност по разкриване на възможностите за реализация на специалистите, като се има предвид очакваните съществени реализации на проекти в атомната енергетика, газо- и нефтопроизводството и преноса.

Литература 1. Trampus P., V. Krastel NDT integrity engineering Proceeding of 12th ECNDT, Goteborg, 2018. 2. ISO/TS 21759-2018 NDT-Guidelines for training and qualification of NDT engineers. 3. A new discipline: NDT integrity engineering, Recommendation of the Academia NDT

International.

Bulgarian Society for NDT International Journal “NDT Days” Volume II, Issue 1, Year 2019

ISSN: 2603-4018eISSN: 2603-4646

91

Experience in the Organization of Non-Destructive Testing Formal Education in Ukraine

Olena LASHKO1,2

1) Department of Non-Destructive Testing Instruments and Systems, National Technical University of Ukraine

‘Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute’; Kyiv, Ukraine Phone: +38 093 0802142; e-mail: e.lawko@kpi.ua

2) NDT Training Center, Private Company ‘DP-TEST’; Kyiv, Ukraine Phone: +38 050 3511505; e-mail: ndt-training@ukr.net

Abstract The paper contains the analysis of the experience of NDT formal education organizing in Ukraine. In particular, differences in educational syllabuses development at educational institutions and training syllabuses development at training centers is analyzed. The paper provides recommendations on the harmonization of NDT educational and training syllabuses. Keywords: non-destructive testing, formal education, training, syllabuses requirements. 1. Introduction It is well-known that Non-DT processes and techniques are heavily used today ˗ in USA, Europe, India, Africa and others, covering and serving the engineering and metalworking, energetics, fuel industry, etc. Non-destructive testing methods are widely used to evaluate the quality of technical objects, determine their characteristics, research their structure and more. Non-destructive testing (NDT) enables the objects’ quality to be assessed without destroying their integrity or without disturbing the properties that affect their intended use. NDT methods are widely used on the railway, to inspect the elements of aircraft design, to monitor the condition of bridges, cableways, cars’ units, etc. The widespread use of non-destructive methods is associated with the ability to use them to test the quality of products, the continued use of which affects the lives and safety of people. The NDT education is a responsible type of human activity that has certain standardized requirements. In Ukraine these requirements are formulated both by the educational standards and by the product and industry sectors international and European regulatory and technical documentation. 2. Problem Overview In Ukraine formal education in non-destructive testing is currently provided hrough two types of organizations ˗ educational institutions (higher education institutions, colleges, etc.) and training centers (NDT personnel training organizations). Completion of study at an educational institution implies the achievement of the educational outcomes, specific to a certain educational level, determined by the learning outcomes, and the confirmation of qualification by a diploma of education or other document. The educational document indicates the credit modules studied by the applicant, their duration and the results of the exams. NDT education in high school is conducted according to approved educational syllabuses. Syllabuses requirements are determined by the educational standards, based on the defined learning objectives and competencies of the graduate [1], [2] and others. The educational outcomes are

92

described by a complex system of competencies that a graduate must possess, including practical skills in non-destructive testing. NDT formal education in the training centers in Ukraine is usually conducted in form of preparing candidates for certification at the appropriate qualification levels, in NDT-methods, relevant product and industrial sectors. Requirements for the preparation process are regulated by European, international and national normative documents [3], [4], [5], and also by the quality management systems of training centers ˗ in accordance with ISO 9001 ‘Quality management systems ˗ Requirements’. After completing the study of NTD courses at the training center, the candidate is provided with a document that confirming the successful completion of the courses, which usually contains information about the course title (according to NDT methods), its duration, product and industrial sectors, etc. Requirements for certification training syllabuses in non-destructive testing are governed by international and regional standards, the most widely used being ISO/TR 25107 ‘Non-destructive testing ˗ Guidelines for NDT training syllabuses’ [6]. Candidates training outcomes are evaluated in the attestation process, which includes exams: theoretical (theoretical knowledge of methods), special (NDT standards knowledge check) and practical (ability to carry out NDT method’s operations and report on results). Practical experience shows, that most graduates of higher education institutions, who have completed higher education in non-destructive testing and works in NDT, additionally receive certification at the relevant qualification levels from separate groups of NDT methods. This trajectory of specialists’ professional development has proved to be effective nowadays. Thus, there is a need to harmonize the educational syllabuses for studying NDT engineers with the training syllabuses for certification NDT personnel preparing. The solution of this problem may be to include certain provisions of the ISO/TR 25107 standard to educational syllabuses. This will allow, first, to bring closer the educational outcomes with the current employers requirements; second, simplify the process of preparation for certification for university graduates (figure 1).

Figure 1. Scheme of NDT formal education organization in Ukraine

93

The following are separate provisions of ISO/TR 25107 standard that may be included to the educational syllabuses. 3. Certain Aspects of Educational Syllabuses Development International Standard ISO/TR 25107 ‘Non-destructive testing ˗ Guidelines for NDT training syllabuses’ provides guidance on the content of training syllabuses and on the training courses duration for Levels 1, 2, 3 certification applicants in Radiographic testing (RT), Ultrasonic testing (UT), Eddy current testing (ET), Penetrant testing (PT), Magnetic particle testing (MT), Visual testing (VT), Infrared thermographic testing (TT), Leak testing (LT), Acoustic emission testing (AT), Strain gauge testing (ST) and by techniques of Ultrasonic time-of-flight diffraction (UT-TOFD), Ultrasonic phased array testing (UT-PA), Magnetic flux leakage testing (MFL) ˗ in accordance with EN ISO 9712 ‘Non-destructive testing ˗ Qualification and certification of NDT personnel’. The document contains a list of topics that are recommended for study during the candidates training courses, and recommendations on the duration of certain topics study, depending on the level of qualification the candidate is seeking. In addition, the standard provides references to major non-destructive testing standards recommended for study. For each group of NDT methods, the ISO/TR 25107 standard provides a general structure of the training course, indicating the issues to be considered. This structure includes ten basic provisions, which are listed below [6, p. 9-102]:

− Introduction to the methods terminology and history: for each methods group, are considered inspection tasks, general terms and historical information. This section also provides a brief overview of methods’ standards under study. For the study of terminology, it is advisable to use standards of the EN 1330 series and similar, which include the general terms of non-destructive testing and the terminology of separate groups of methods.

− Physical principles of the method and associated knowledge: the section includes issues about the mathematical and physical foundations of a particular methods’ group, basic physical phenomena and the processes on which they are based, and related theoretical background.

− Product knowledge and capabilities of the method and its derived techniques: the issues in this section are based on the product sectors (castings (c), forgings (f), welds (w), tube and pipe (t), wrought products), and also industrial sectors. The study of this section of the syllabuses provides an overview of basic standards in NDT by product type, NDT methods and techniques, etc. In the same section, it is recommended to analyze possible product defects and their causes.

− Equipment: the section covers issues related to equipment and instruments used for a specific group of NDT methods. If appropriate, issues of testing metrological and protection systems are considered.

− Information prior to testing: this section includes issues on preparation for the non-destructive testing: defining the material and taking into account the geometry and surface condition of the object to be inspected, determining the conditions of the inspection, determining techniques and sequence of operations ˗ and also drawing written procedures and instructions.

− Testing: practical implementation of testing procedures by selected methods and techniques.

94

− Evaluation and reporting: the section deals with the interpretation of testing results, such as defects detection, defects positioning and geometric dimensions, and also testing protocol drawing.

− Assessment: the issues of assessment of compliance of the testing object with the requirements set by the regulatory documentation (acceptance levels).

− Quality aspects: this section discusses requirements for non-destructive testing personnel in accordance with EN ISO 9712 and other certification systems. The section also includes issues of equipment verification and document traceability.

− Developments: the purpose of the study of this section is to familiarize the candidate with the latest industrial and scientific developments of a particular group of NDT methods.

In addition, in accordance with ISO/TR 25107, Penetrant testing and Magnetic particle testing syllabuses should include an ‘Environmental and Safety Conditions’ issue, which is associated with the use of chemically active substances that may be hazardous to human health and environment. Radiation safety issues, according to [3] and [6], are not included in NDT training syllabuses and usually studies additionally. But, it is recommended to include the radiation safety requirement issue in educational syllabuses. A detailed list of issues for each section for NDT methods groups is presented in the ISO/TR 25107 standard [6]. The following table lists the codes of international (ISO) and European (EN) standards, recommended for inclusion to NDT educational syllabuses in higher education institutions. This list is based on the recommendations of ISO/TR 25107 standard, taking into account the experience of its practical application in the preparation of candidates for certification in our NDT training center.

Table 1. List of codes of international and European standards recommended for inclusion to NDT educational syllabuses

Issues Standards codes

General EN ISO 9712, EN 4179, ISO 3999, ISO 5579, ISO 5580, ISO 10675-1, ISO 10675-2, ISO 11699-1, ISO 11699-2, ISO 14096-1, ISO 14096-2, ISO 15708-1, ISO 15708-2, ISO 16371-1, ISO 16526-1, ISO 16526-2, ISO 16526-3, ISO 17635, ISO 17636-1, ISO 17636-2, ISO 19232-1, ISO 19232-2, ISO 19232-3, ISO 19232-4, ISO 19232-5, EN 12543-1, EN 12543-2, EN 12543-3, EN 12543-4, EN 12543-5, EN 12679, EN 12681, EN 13068-1, EN 13068-2, EN 13068-3, EN CR 13935, EN 16016-1, EN 16016-2, EN 16016-3, EN 16016-4, EN 13445-5, EN 13480-5

UT EN 1330-4, ISO 16809, ISO 16810, ISO 16811, ISO 17640, EN ISO 16827, EN 12680-1, EN 10228-3, EN 10228-4, EN ISO 17635, ISO 17640, ISO 23279, ISO 16823, ISO 16826, ISO 16828, EN ISO 13588, EN ISO 22825, EN ISO 10863, EN ISO 11666, ISO 25902, EN 10308, EN 4050, EN 10307, EN 16729, EN 14127, ЕN ISO 16831, EN 17635, CEN/TR 15135, EN 12668-1, EN 12668-2, EN 12668-3, ISO 10375, EN ISO 15626, EN ISO 18563-1, EN ISO 18563-2, ISO 18563-3, EN 15317, EN ISO 7963, EN ISO 2400, EN 10160, ISO 18175

RT EN 12543-1, EN 12543-2, EN 12543-2, EN 12543-3, EN 12543-3, EN 12543-4, EN 12543-4, EN 12543-5, EN 12543-5, EN 12679, EN 12681, EN 12681-1, EN 12681-2, EN 13068-1, EN 13068-2, EN 13068-3, EN 13100-2, EN 16016-1, EN 16016-2, EN 16016-3, EN 16016-4, EN 16407-1, EN 16407-2, EN ISO 10893-6, EN ISO 10893-7, EN ISO 17636-1, EN ISO 17636-2, EN ISO 5579, ISO 10675-1, ISO 11699-1, ISO 11699-2, ISO 12721, ISO 14096-1, ISO 14096-2, ISO 15708-1, ISO 15708-2, ISO 16371-1, ISO 16371-2, ISO 16526-1, ISO 16526-2, ISO 16526-3, ISO 17635, ISO 17636-1, ISO 17636-2, ISO 19232-1, ISO 19232-2, ISO 19232-3, ISO 19232-4, ISO 19232-5, ISO 3999, ISO 4993, ISO 5579, ISO 5580, EN 17635, CEN/TR 15135

95

ET EN 1330-5, EN 10246-3, EN 12084, EN 13860-1, EN 13860-2, EN ISO 10893-2, EN ISO 12718, ISO 15549, ISO 15548-1, ISO 15548-2, ISO 15548-3, ISO 17643, EN 17635, CEN/TR 15135

PT EN ISO 12706, EN ISO 3452-1, EN ISO 3452-2, EN ISO 3452-3, EN ISO 3452-4, EN ISO 3452-5, EN ISO 3452-6, EN 1371-1, EN 1371-2, EN ISO 3059, EN 10228-2, ISO 4987, EN ISO 10893-4, EN ISO 23277, ISO 3058, EN 17635, CEN/TR 15135

MT EN ISO 12707, EN ISO 9934-1, EN ISO 9934-2, EN ISO 9934-3, EN ISO 3059, EN ISO 17638, EN ISO 23278, EN 10228-1, ISO 4986,EN ISO 10893-5, EN ISO 10893-1, EN 1369, ISO 3058, ISO 11960, EN 17635, CEN/TR 15135

VT EN 1330-10, ISO 6520-1, ISO 5817, EN 13018, EN ISO 17637, EN 1370, ISO 11971, EN 13927, ISO 3057, ISO 3058, ISO 8785, EN 10163-1, EN 10163-2, EN 10163-3, EN 17635, CEN/TR 15135

4. Conclusions Today, there are two main systems of formal education in NDT in Ukraine ˗ educational institutions and training centers. There is a problem of weak correlation between NDT educational syllabuses in educational institutions and NDT training syllabuses at training centers. Compliance with the provisions of ISO/TR 25107 standard along with educational standards in educational syllabuses development can solve the problem of the inconsistency of NDT educational syllabuses in higher education with training syllabuses in certification preparation. It is proposed to include the ISO/TR 25107 recommendations in the educational syllabuses. It will bring closer the educational outcomes of study in non-destructive testing in higher education institutions to the potential employers’ requirements and extend professional development for graduates. References 1. Higher Education Standard of Ukraine, Specialty 151 ‘Automation and Computer-

Integrated Technologies’ [electronic resource], Ministry of Education and Science of Ukraine, Kyiv, 2018, resource access mode: https://mon.gov.ua/ua/npa/pro-zatverdzhennya-standartu-vishoyi-osviti-za-specialnistyu-151-avtomatizaciya-ta-kompyuterno-integrovani-tehnologiyi-dlya-pershogo-bakalavrskogo-rivnya-vishoyi-osviti.

2. Higher Education Standard of Ukraine, Specialty 152 ‘Metrology, Information and Measurement Engineering’ [electronic resource], Ministry of Education and Science of Ukraine, Kyiv, 2018, mode of access to the resource: https://mon.gov.ua/ua/npa/pro-zatverdzhennya-standartu-vishoyi-osviti-za-specialnistyu-152-metrologiya-ta-informacijno-vimiryuvalna-tehnika-dlya-pershogo-bakalavrskogo-rivnya-vishoyi-osviti.

3. ДСТУ EN ISO 9712:2014 ‘Неруйнівний контроль. Кваліфікація та сертифікація персоналу неруйнівного контролю’, 2016, 43 с.

4. ДСТУ EN 4179:2017 ‘Аерокосмічна серія. Кваліфікація і атестація персоналу для неруйнівного контролю’, 2017, 31 с.

5. SNT-TC-1A ‘Personnel Qualification and Certification in Nondestructive Testing’, The American Society for Nondestructive Testing, 2011, 40 p.

6. ISO/TR 25107:2018 ‘Non-destructive testing – NDT training syllabuses’, Published in Switzerland, 2018, 108 р.

Bulgarian Society for NDT International Journal “NDT Days” Volume II, Issue 1, Year 2019

ISSN: 2603-4018eISSN: 2603-4646

96

Management Models Applied in Accreditation Process (Healthcare, Higher Education and Conformity Assessment) in Bulgaria

Stoyan HANDJIEV1, Yuriy DANEV2, Mitko MIHOVSKI3, Iliya TSENEV4,

Mariana SHIRKOVA4, Vanya TODOROVA4, Peter DINEFF4

1 Acibadem Sity Clinic, Sofia, Bulgaria, e-mail: dr.handzhiev@hotmail.com 2 Cluster „NDT in BG“, Sofia, Bulgaria, e-mail: usd_sofeng@abv.bg 3 Bulgarian Society for NDT, Sofia, Bulgaria, e-mail: nntdd@abv.bg

4 Foundation "QUALITY 21st CENTURY", Sofia, Bulgaria, e-mail: office@kachestvo-21.com Abstract. This paper presents a general model of management accreditation in Bulgaria, as well as its practical implementation in the form of two-stage and one-stage models. The advantages of each of these models are given. On this basis, the authors propose their point of view for improving existing models. Keywords: accreditation, accreditation management model, conformity assessment.

Модели на управление, прилагани в процеса на акредитация – в здравеопазването, висшето образование и оценяването на

съответствие, в България

Стоян ХАНДЖИЕВ, Юрий ДАНЕВ, Митко МИХОВСКИ, Илия ЦЕНЕВ, Мариана ШИРКОВА, Ваня ТОДОРОВА, Петър ДИНЕВ

1. Увод

Както е известно, акредитацията е действие, извършвано от трета страна, отнасящо се за здравно заведение/висше училище/орган за оценяване на съответствие за предоставяне на официално доказателство за компетентност да извършва специфични дейности в съответна област. Съобразно това определение, законодателят, във всяка държава, е определил свои органи, които дават акредитация за извършването на специфични дейности, определени от местното законодателство.

В сферата на здравеопазването, акредитацията означава, че съответното здравно заведение има доказана компетентност да извършва специфични дейности, съобразно Закона за лечебните заведения (ЗЛЗ), посл. изм. и доп. ДВ. бр. 42 от 28.05.2019 год. В сферата на висшето образование, акредитацията означава, че съответното висше училище има доказана компетентност да извършва специфични дейности съобразно Закона за висшето образование (ЗВО), посл. изм. и доп. ДВ. бр. 98 от 27.11.2018 год. В сферата на оценяване на съответствието, акредитацията означава, че съответния орган за оценка на съответствие (изпитвателна лаборатория, калибрираща лаборатория, орган за контрол, орган за сертификация на системи и други) имат компетентност да извършват специфични дейности съобразно Закона за националната акредитация на органи за оценяване на съответствието (ЗНАООС), посл. изм. ДВ. бр. 7 от 19.01.2018 год.

97

2. Обобщен модел на акредитация

На фиг. 1 е показан обобщен модел на управление на акредитацията, който е в сила за трите вида акредитация, осъществявани в България.

Фигура 1. Обобщен модел на управление на акредитацията в България.

В допълнение на общото определение за акредитация, посочено по-горе, за трите

вида акредитация в България могат да се направят следните допълнения: − Акредитацията е процес, насочен към осигуряване на качеството на здравните

услуги, за оценяване на базовите възможности за обучение на студенти и специализанти, за постигане на по-добри резултати и информиране на медицинските професионалисти и гражданите.

− Акредитацията е процес на признаване (от Националната агенция за оценяване и акредитация, НАОА) на правото на висшите училища да дават висше образование по образователно-квалификационни степени в определени области, професионални направления и по специалности от регулираните професии чрез оценяване качеството на дейностите.

− Акредитацията е процес на атестация, извършена от трета страна, отнасяща се за орган за оценяване на съответствието, представляваща официално доказателство за неговата компетентност да извършва специфични дейности за оценяване на съответствието – доказване на това, че определени изисквания, отнасящи се до продукт, процес, система, лице или орган, са изпълнени.

3. Двустепенен модел на управление на акредитацията в здравеопазването

На фиг. 2 е показан съществуващият двустепенен модел на управление на акредитацията в здравеопазването. Този модел на управление на акредитацията притежава следните основни недостатъци:

− Наредба № 18 от 20.06.2005 год. за критериите, показателите и методиката за акредитация на лечебните заведения, издадена от министъра на здравеопазването, обн., ДВ, бр. 54 от 01.07.2005 год., в сила от 16.07.2005 год., не отговаря на изискванията на БДС EN ISO 9001:2015 “Системи за управление на качеството. Изисквания“ и БДС EN 15224:2017 “Системи за управление на качеството. Прилагане на EN ISO 9001:2015 в здравеопазването“.

− Наредба № 1 от 31.01.2014 год. за утвърждаване на медицински стандарт "Клинична лаборатория", издадена от министъра на здравеопазването, обн., ДВ,

98

бр. 13 от 14.02.2014 год., не отговаря на изискванията на БДС EN ISO 15189:2012 “Медицински лаборатории. Изисквания за качество и компетентност“.

Фигура 2. Двустепенен модел за управление на акредитацията в здравеопазването на България.

Като резултат от акредитация на лечебни заведения по съществуващия модел на

управление в здравеопазването, издаваните документи от тези акредитирани лечебни заведения, най-често, не се признават вън от България. 4. Двустепенен модел на управление на акредитацията във висшето образование

На фиг. 3 е показан действащият модел на управление на акредитацията във висшето образование в България.

Фигура 3. Двустепенен модел на управление на акредитацията във висшето образование на България.

Този модел на управление се характеризира с едно съществено предимство, това че

се базира на международни изисквания. Критериите за институционална и програмна акредитации са хармонизирани със The Standards and guidelines for quality assurance in the European Higher Education Area (ESG) – стандартите и насоките за осигуряване на

99

качеството в Европейското пространство за висше образование (версията на ESG на английски език е единствената официална версия), одобрени от Конференцията на министрите на 14÷15.05.2015 год., като предварително са съгласувани от Европейската асоциация за гарантиране на качество във висшето образование, Европейския студентски съюз, Асоциацията на европейските университети, Европейската асоциация на институциите за висше образование, Европейския регистър по осигуряване на качеството на висшето образование.

Като резултат от акредитацията на висшите училища по съществуващия модел на управление на акредитацията на висшите училища в България – издаваните от тях документи се признават в Европа, както и в значителен брой страни, извън нея. 5. Едностепенен модел на управление на акредитацията при ООС

На фиг. 4 е показан едностепенният модел на управление на акредитацията при органи за оценяване на съответствието (ООС).

Фигура 4. Едностепенен модел на управление на акредитацията при органи за оценяване на съответствието в България

Съществуващият модел се характеризира с използването на множество вътрешни

документи и формуляри на Изпълнителната агенция Българската служба за акредитация (ИА БСА), част от които са показани тук:

− BAS QR 2 „Процедура за акредитация“; − BAS QR 3 „Правила за работа на комисия по акредитация“; − BAS QR 4 „Правила за работа на комисия по възражения“; − BAS QR 5 „Правила за ползване на акредитационния символ на ИА БСА, за

позоваване на акредитация от ИА БСА и/или за позоваване на статута на ИА БСА като страна по многостранно споразумение“;

− BAS QR 6 „Правила за работа на техническите комитети по акредитация“;

100

− BAS QR 7 „Процедура за компетентност на водещи оценители, оценители и експерти“;

− BAS QR 8 „Ценоразпис на услугите, извършвани от ИА БСА”; − BAS QR 9 „Процедура за вътрешен одит“; − BAS QR 10 „Правила за работа на съвета по акредитация“; − BAS QR 18 „Процедура за провеждане на междулабораторни сравнения и

изпитвания за пригодност“; − BAS QR 22 „Процедура за оценяване на съответствието с добрата лабораторна

практика“; − BAS QR 27 „Процедура за политика на ИА БСА за метрологична проследимост

на резултати от измервания и за нейното прилагане“; − BAS QI 2 „Инструкция за определяне на времетраенето на оценката на място.

Влияещи фактори“; − BAS QI 4 „Инструкция за критериите и методите на акредитация и надзор на

проверяващи по околната среда съгласно Регламент (ЕО) № 221/2009 на Европейския парламент на съвета;

− BAS QI 11 „Инструкция за етично поведение на постоянен и привлечен персонал на ИА БСА.

− BAS QI 12 „Инструкция за критериите и методите на акредитация и надзор на верификационни органи“;

− BAS QI 18 „Инструкция за дейностите по оценка на технически служби“; − BAS QI 19 „Инструкция за критериите и методите на акредитация и надзор на

органи за сертификация на биологично производство“, съгласно Регламент (EC) Nº 834/2007 и Регламент (EC) Nº 889/2008 на Европейската комисия;

− BAS QI 21 „Инструкция за критериите и методите на акредитация и надзор на организатори на изпитвания за пригодност“, съгласно изискванията на БДС EN ISO/IEC 17043:2010.

Друга характерна особеност на съществуващия модел на управление на акредитацията е тази, че той се прилага монополно от една институция в България като обхваща всички ООС, работещи в различни сфери на бизнеса в България, фиг. 5:

− Лаборатории за изпитване, включително медицински лаборатории, (ЛИ); − Лаборатории за калибриране (ЛК); − Организатори на изпитвания за пригодност (РТ-провайдъри); − Органи за контрол (ОК); − Органи по сертификация на продукти, включително за биологично производство

и биологични продукти (ОСП); − Верификационни органи (ВО); − Органи по сертификация на системи за управление – ISO 9001, ISO 14001,

OHSAS 18001, ISO 22000 и ISO/IEC 27001, ISO 50001, ISO 39001 (ОСС); − Органи по сертификация на лица (ОСЛ); − Проверяващи по околна среда (ПОС); − Удостоверяване съответствието на лаборатории с добрата лабораторна практика

(ДЛП). В потвърждение на казаното по-горе, са показани извадки от отчета за 2019 година

на ИА БСА, фиг. 5. Като резултат от акредитацията по съществуващия модел за управление на

акредитацията на ООС в България, издаваните документи от акредитирани ООС се признават в Европа, както и в значителен брой страни, извън нея. Интересен, обаче,

101

остава следният парадокс: мнозинството от ООС извършват оценяване само за своите собственици, а те от своя страна не изнасят в чужбина, произведените от тях продукти.

Фигура 5. Извадка от отчета на ИА БАС (за 2019) – обхват на акредитацията на различните органи за оценяване на съответствието в България

В две свои публикации, [1 и 2], авторският екип (в различен състав) анализира

конкретно проявени недостатъците на съществуващия модел за управление на акредитацията на ООС в България. Те се отнасят до: 1) възможни корупционни практики в работата по акредитация, оказващи влияние върху на качеството и цената на питейната вода, изискващи изграждане на системи за управление за борба с подкупването по ISO 37001:2016; 2) съмнения в безпристрастността на акредитираните органи за оценка на съответствието в България. 6. Предложения на авторския екип

Двустепенният модел на управление на акредитацията в здравеопазването може бъде запазен, но наредбите № 1 и 18 следва да бъдат приведени в съответствие с международните изисквания за качество.

Едностепенният модел на управление на акредитацията при ООС, на базата на Закона за техническите изисквания към продуктите (ЗГИП), посл. изм. ДВ. бр. 1 от 03.01.2019 год., да стане двустепенен, като се:

1. Възприеме подхода на двустепенния модел за управление на акредитацията във висшето образование.

2. Криминализира деянието оценяване за съответствие за собственици (преки или косвени), извършено от техни акредитирани ООС.

3. Децентрализира дейността по акредитация в няколко специализирани министерства, в съответствие с техните компетентности по закон. Литература 1. А. Трифонов, Н. Бучинска-Симеонова, В. Тодорова, Д. Таков, П. Стоянов, Г.

Христов, О. Винаров, Ю. Данев, М. Миховски, П. Златева, И. Йосифов, Г. Кондева, И. Ценев, П. Динев. Качество и цена на питейната вода – необходимост от ISO 37001:2016 „Системи за управление за борба с подкупването. Изисквания с указания за прилагане“. Машиностроене и електротехника, 2018, год. 67, бр. 7÷8, с. 6÷18; ISSN 0025-455X.

2. И. Ценев, П. Динев, М. Ширкова, К. Кацаров, Д. Таков, М. Миховски, П. Моллов. Как да се докаже безпристрастността на акредитирани органи за оценяване на съответствието в България. Машиностроене и електротехника, 2018, год. 67, бр. 12, с. 45÷54; ISSN 0025-455X.

Bulgarian Society for NDT International Journal “NDT Days” Volume II, Issue 1, Year 2019

ISSN: 2603-4018eISSN: 2603-4646

102

Development of NDT Methods for Control of Building and Bridge Structures in Bulgaria

Dimitar DIMOV

University of Architecture and Civil Engineering, Sofia, Bulgaria,

Member the Board of Bulgarian Society for NDT, e-mail: dimg.dimov@gmail.com

Abstract The paper is analysing the role of leading people and institutions in Bulgaria for development of methods and techniques for experimental testing of building and bridge structures and corresponding application of NDT methods in civil engineering. Special attention is paid to latest developments and contributions and to establishing of systems for structural quality control with corresponding opportunities for NDT applications. Critical analysis of factors governing the development and application in Bulgaria of NDT techniques and methods during last centuries and corresponding conclusions regarding the condition and perspectives for future development of such techniques are offered. Keywords: NDT control in Bulgaria of structures & bridges, Development of methods for NDT: persons, techniques and applications.

Dedicated to the 100th anniversary of our award-winning teacher and specialist in the field of testing of structures Prof. Dr. Eng. Todor Markov

1. Introduction The role of non-destructive testing (NDT) techniques in civil engineering is getting increasingly popular and important. Nowadays it is impossible to imagine construction industry without corresponding construction control and maintenance of existing structures. Most dramatic development of those methods and techniques during the last century is a result of intensive introduction of new materials, structural approaches and design techniques. In parallel with the amazing developments in electronics, physics and other areas of human knowledge allowing development of sophisticated methods and equipment, the development of NDT approaches and applications is a result of historic effort from thousands of devoted researchers which contribution must be acknowledged. The use of non-destructive testing (NDT) methods for buildings and bridges in Bulgaria dates from the 50s of the 20th century with the creation of the first specialized laboratories for testing of structures. Prior to this, only some partial tests of bridges and special structures, such as tanks and towers, were implemented when accepting construction projects. Our genius master-builder Kolyu Ficheto (1800-1881, fig.1.1) in order to express the designs of his more significant structures, such as the bridge over Yantra river near Byala (1865-1867, fig.1.2), had previously performed their wax and stick patterns. These models have undoubtedly served him as primary reference points to assess the distribution of efforts in constructions and even by feeling to select and specify properly their size.

103

Fig. 1.1 and 1.2. Graphic portrait of Kolyo Ficheto and current view of the bridge near Byala

It is his first attempt to set up "monitoring" to record unwanted displacements in a very simple but effective way. In one of the dozens of churches built by him in the middle of the 19th century – the church "St. Konstantin and Elena "in the town of Veliko Tarnovo (fig.1.3 and 1.4), he build in on both sides of the front door (fig.1.5) rotating round wooden columns, whose free rotation around the centrally placed metal spikes (fig.1.6) would be hampered or blocked in case of uneven settlements.

Fig. 1.3 and 1.4. View from north-east (left) and north-west from the street "Gen. Gurko" to the church "St. Konstantin and Elena" (with the rotating columns), in Veliko Tarnovo

Fig. 1.5 and 1.6. Fragment of the front door (left) and detail of the bed and the relationship of the missing already rotating columns from the stone wall of the church

104

2. Personalities with contributions to the development of NDT in construction Not until the second half of the 20th century Bulgaria has been equipped with measuring techniques and specialists for testing of building structures and models, initially at the Faculty of Civil Engineering of the Higher Institute of Civil Engineering (UACEG), to the Sciences Research Construction Institute (NISI), to ENERGOPROEKT, etc. The most significant contribution to the creation of these laboratories was made by Prof. Stoyan Kolev (1905-1971), the founder of the study "Testing of Structures" and especially Prof. Todor Markov (1918-2007), who promoted and further developed the knowledge in this field at a modern level and trained many of ours and foreign specialists and PhD students. In the period 1924-1929 Stoyan Kolev follows civil engineering in Vienna polytechnics. After graduating from the beginning, he worked as a construction entrepreneur, and from 1937 onwards began working at the "Material Testing Station", which in 1948 was renamed as the Central Testing Institute (CIIN), and in 1954 – in the Sciences Research Construction Institute (NISI). As a leading test specialist in the 1944/45th academic year, he was invited to read lectures on "Building Materials" in the State Polytechnics. Sт. Kolev is the first Head of CIIN and then of NISI. In 1953, he was awarded the Dimitrov Prize for "Exploring the properties and application of the trace in construction, creating new concrete and mortar and asbestos-bitum insulation" and in 1957, under his editing comes the first annual of the NISI, which starts the development of a proper scientific research work in construction.

Fig. 2.1 and 2.2. Stoyan Kolev as a student in 1925 and as a professor at VISI in 1963.

In 1958, Ст. Kolev became a professor (figure 2.2) and in the same year he introduced the discipline "Testing of Structures" and he wrote the first textbook. This direction in the Department of Solid Structures at the Faculty of Construction Engineering of the Civil Engineering Institute (ISI) became the main test unit for the quality assessment of the performance of a number of new construction projects in Bulgaria. He is one of the founders of the “Bulgarian Society of Earth Mechanics and foundation" in 1948 and a longtime chairman of the Construction section of the established in 1949 Scientific and Technical Unions (NTC). He wrote 4 books: on Building Materials, Insulation in Construction, Testing of Structures and Flat Roofs, the first of which was issued four times in 1946, 1956, 1963 and 1968. In 1965, he participates in the development of "Design Standards for Building Insulations". On 14.06.2018 was the 100th anniversary of the birth of Prof. Dr. Todor Markov, a long-time lecturer at the Department of Solid Structures at the Faculty of Construction of the University of Architecture, Civil Engineering and Geodesy. Many of us still remember him with great respect and compliments for his personality and professional work in experimental studies.

105

Fig. 2.3 and 2.4 Prof. Dr. Eng. T. Markov in 1976 (presents report) and 10 years later.

Prof. T. Markov graduated from the Civil Engineering Department of State Polytechnics in Sofia in 1948. He worked as a structural engineer in 1949/50 in CAPO (later called Glavproekt). Since 1950 he currently worked at the Department of Static Structures and Bridges (formerly "Massive Structures") of ISI (later named VISI, then VIAS and currently UACEG), as assistant until 1954, associate professor until 1964; as a professor until 1987, at the end of which period he was also head of the Department. He lectured on "Building Materials", "Reinforced Concrete Structures and Bridges" and most of the time "Testing and Modeling of Structures". He wrote and published 5 textbooks: two on Testing of structures; one in Experimental Mechanics (in Spanish) and two in Civil Engineering (general course for Surveyors). In addition, there are over 145 publications on textbooks in scientific and technical specialized journals, collections of papers from conferences and congresses held in Bulgaria and abroad: Germany, Belgium, Romania, Hungary, Cuba, etc. Besides direct training sessions (lecturing and laboratory works), he was head of 18 post-graduate students, of which nine Bulgarians, three Vietnamese, four Cubans, one Pole and one from Maly who successfully defended doctorates. He was a member in the Scientific Alliance and the Union of Scientists in Bulgaria, in RILEM and IABSE, having worked in their three international construction expert committees, honorary member of the National Scientific Societies of NDT in Bulgaria and Israel, founder and longtime director of the Laboratory for testing of structures in the VIAS.

Fig. 2.5 and 2.6. Prof. T. Markov in 1989 with his ekip (after testing a bridge near Sofia) and in 2006.

A significant contribution to the development of experimental researches are their colleagues from the NISI – Prof. V. Petkov, improved practical methods for determining concrete strength

106

by its surface hardness with the apparatus of the Frank-Bowman (1955) and Prof. L. Petrov, who specified the main influences on the homogeneously of concrete in its ultrasonic non-destructive testing. A number of other specialists and scientists worked after them, incl. the author of this article, as well as Assoc. Prof. Dr. Eng. T. Donchev from Kingston University UK. They have developed the knowledge and realized a significant number of practical applications of ultrasonic diagnosis of concrete, reinforced concrete and steel elements and structures – by the application of new modern and complex methods; under normal weather and high temperatures and other impacts. 3. The most important methods and applications for NDT of structures and bridge in Bulgaria 3.1 Initial period Initially, in the middle of the last century at NDT of existing old and newly built structures of buildings and bridges in the country are used mainly mechanical hard devices operating on the principle of plastic indentation: for concrete and reinforced concrete Fizdel’s hammer (Fig. 3.1) and hardness testers "Frank-Baumann" and "Kremikovets" (Fig. 3.2), and for metal structures – Poldy hardness tester (Fig. 3.3) and that of the "Frank -Bauman "or" HPS "(Fig. 3.4). In the 1960s and 1970s, Schmidt's concrete hammer, already widely used in many countries, came into use for concrete and R/C structures that work on the principle of elastic rebound. His first models were used – first type N (Figure 3.5) and later type NR (Figure 3.6). During this period in Bulgaria enters the pulse ultrasonic method. Its first practical applications on specific structure projects were realized in the 1960s by G. Bayliev of TSNIRDP "Energoproekt" – to evaluate the homogeneity of the concrete in dams and hydraulic structures. Later, in the late 70s and early 80s T. Markov, G. Bayliev and D. Dimov tested developed cracks of "exotherm" in newly built foundations of the steam generators of NPP "Kozloduy". Up till this period was measured directly only the time of sonic testing of separate structure elements at fixed acoustic bases with the available ultrasonic device type UKB-1M produced in the USSR (Fig. 3.7).

Fig. 3.1 and 3.2. Fizdel’s hardness test hammer and hardness testers "HPS" (right above) and "Kremikovets"

107

Fig. 3.3 and 3.4. NDT of old metal bridge with a hardness testers of "Poldi" (left) and "HPS" (right)

Fig. 3.5 and 3.6. NDT reinforced concrete elements with "Schmidt" hammer type N (left) and type NR (right)

3.2 Period of development

Fig. 3.7 and 3.8. Soning testing of R/C plates elements after high temperature impacts conducted in the laboratory of testing of structures at VIAS (now the UACEG)

In the early 90s are made the first attempt in the country to implement the ultrasonic pulse method in investigation of structures subjected to high technological and fire temperatures. Initially the tests are laboratory. T. Donchev and D. Dimov [2, 3, 4] examined concrete specimens and small products (concrete structure plates and panels). After heating to

108

high temperatures (from 20⁰C to 800⁰C) and cooling, they were tested complex to determine the modification of the concrete strength by hardness, incl. mechanical disruption, and by sonic testing [2, 4]. Similar experiments were carried out to establish also the influence of the unequal heating of the plate elements on the results of the respective ultrasonic testing of concrete [3] – see. Fig. 3.7 and 3.8. At this stage, already portable ultrasound devices with digital sound time recognition were used, such as the UNIPAN 543 model (Figure 3.8). The results of these laboratory tests have verified three real objects. At the first of them: The chimney of the VIDACHIM TPP in the town of Vidin, in the summer of 1996 the influence of the variable technological temperatures on the strength and condition of the concrete of the reinforced concrete pipe was investigated in areas with insulated thermal insulation (see Figures 3.9, 3.10 and 3.11). In the other two objects: Residential Building "Kr. Popov" in Sofia (Fig. 3.12 and 3.13) and Storehouse for raw materials "Belana" in Belovo (Fig. 3.14 and 3..15) were studied complex, incl. ultrasonic method, the residual strengths of the concrete in various concrete structure elements after the occurred fire respectively in spring of 1997 and in October 1998. Their results are published in the materials of the Scientific Conference "Defektoskopiya'99" [5]. In 2002, Dr. Dimov successfully applied a complex NDT and ultrasonic diagnosis to clarify the causes of cracks and their depths in the R/C structure of an outdoor swimming pool in Kozloduy using ultrasonic method for testing [1] (see Figures 3.16 to 3.18).

Fig. 3.9, 3.10 and 3.11. An external view with a fragment of the chimney at Vidahim TPP and a moment of the ultrasonic diagnosis of the reinforced concrete element in an area with damaged thermal insulation

Fig. 3:12 and 3:13. A look to part of the structure of the residential building at ul. Krum Popov after the fire in spring of 1997 and to one of sonic testing R/C column

109

Fig. 3.14 and 3.15. General view of the Storehouse for raw materials “Belana” after the fire in October 1998 and a plan of the most affected (by fire) structure elements

Fig. 3.16. Structure scheme of the outdoor swimming pool of NPP "Kozloduy" in the city Kozloduy

Fig. 3.17, 3.18. Fragment of the test zone with cracks and closer look (right) with the labeled bases to measure their depth by ultrasonic

110

Fig. 3.19 and 3.20 Ultrasonic diagnosis of concrete of beams and the degree of corrosion (net thickness) of the steel parts of the columns of the "Rotunda" to Sofia Central Railway Station

Fig. 3.21 and 3.22 Cutting "cores" and testing formed test specimens from R/C structures of the "Rotunda" at Sofia Central Railway Station

Fig. 3.23 and 3.24 Diagnosis of reinforcement in R/C structures with Profometer 5 Proceq (left) and Ferroscan FS10 of Hilti Corporation (right)

111

That same year, in connection with the ongoing then large-scale reconstruction of the square of the Central Railway Station in Sofia, along with collaborators in the laboratory for TS at the University and his colleague At. Georgiev, he performed an ultrasonic diagnosis of the status and deformation characteristics of a significant number of R/C elements (slabs and beams) and the thickness and extention of corrosion of the steel elements of the columns of the "rotunda" of the square. Portable ultrasnic device UNIPAN 543 (Fig. 3:19) and the ultrasonic thickness tester DM1 of Krautkramer (Fig. 3.20) are used in these measurements. During the same period is developed and is established the practice of using complex NDT methods for testing concrete and diagnosis of reinforcements in R/C elements and structures: through laboratory tests of cut test concrete specimens (cores) by them, by surface hardness with the hammer Schmidt and by electromagnetic devices (Fig. 3.21 to 3.24). Structure of dozens of buildings and bridges are qualifyed this way. 3.3 Period of approval This period began with the association of our country to the EU and continues today. It characterized primarily by the emergence of a conscious desire on the part of investors and builders to use general methods for non-destructive testing (NDT) of structures. At the beginning it was dictated more by extreme necessity, due to the advent of more strict requirements for quality and availability of essential visible defects in existing and new built structures. Over time, the benefits of preventive use of these methods became more tangible and acceptable and now increasingly more participants are involved in the investment process to benefit from them and accept them as a recognized need. This is largely facilitated by the creation and entry into practice of new, more up-to-date instruments and methods for NDT [6].

Fig. 3.25 and 3.26 Determination of the depth of carbonation of concrete by a "colorimetric" method with a 5% solution of phenolphthalein in alcohol (left) and the potential for corrosion of the reinforcement with

CANIN+

Wide application of the "colorimetric method" began for estimating the depth of concrete neutralization (Figure 3.25) as well as the preventive control of the corrosion probability of the reinforcement by measuring the difference in the electrical potentials of concrete and reinforcement (Figure 3.26). For the investigation of inaccessible parts of the structures borescopes, endoscopes, and video scopes Iplex MXR of Olympus (Fig. 3.27), and for NDT of steel elements and structures – electronic hardness tester of Proceq (Fig. 3.28) have begun to be applied.

112

Fig. 3.27 and 3.28 Remote Diagnostics of Slab Bridge Bearings (Left) and NDT of Steel Railway Bridge in Plovdiv (right) with EQUOTIP electronic hardness tester of Proceq

During this period of study of building constructions the application of the radiometric method was confirmed. In autumn 2013, the team of Kontrol Ltd. Haskovo, under the leadership of eng. R. Dimitrov, carried out radiographic control of the connections "steel column-stressed reinforced girders" on the site: Industrial warehouse of Makscom Ltd. near Plovdiv under very difficult technological conditions (Figures 3.29 and 3.30) – crossing of segmental anchors and tensioning ropes [7].

Fig. 3.29 and 3.30 Moment of carrying out control, detail and radiographic images of anchors bolts and tensioning ropes in the connection "steel column – reinforced girders”

The practice of applying the thermo-vision as the main method for assessing the quality of wall and roof heat and waterproofing, floor heating, various other installations and for qualifying systems for structural reinforcement with modern FRP materials has been confirmed. In this regard, in 2014 and 2015, at Kingston University, London, UK, T. Donchev and D. Dimov conducted a series of experiments demonstrating the efficiency of thermal cameras in this direction (Figure 3.31 and 3.32)

113

Fig. 3.31 and 3.32 General appearance and thermographic picture of the "invisible" defects after CFRP laminate reinforcement (experiments by T. Donchev and D. Dimov)

At the beginning of this period new ultrasonic methods were introduced. An example of this was held in 2009 by D. Dimov and Vl. Kostov complex NDT control of integrity and quality of performance of the cast in situ piles with a diameter of 1200mm and lengths of 15 and 18m of the newly built railway bridge over the Mechka River at km 203+744 on the site: Railway electrification line Plovdiv – Svilingrad, renewal of Corridor IV and IX, Phase II: Parvomay-Svilengrad (Figures 3.33 and 3.34). Two modern methods and their respective techniques – TDR 2 and Ultrasonic Cross hole Testing – are combined for the control.

Fig. 3.33 and 3.34 General view of the executed piles of pole P1 and a moment of the combined test of the integrity of their two methods – a "TDR 2" and "Ultrasonic Cross hole Testing" (in the background)

With the "acoustic graphics" and "sound profiles" obtained by them (fig.3.35 and 3.36) the so called "early" quality estimation of the piles of the bridge carried out, allowed all of its supports to be executed in a timely manner with a guarantee of the reliability, quality and timing of the entire construction.

114

Fig. 3.35 and 3.36 Acoustic graphics (left) and sound profiles obtained by the two methods

Fig. 3.37 and 3.38. Moments conducted by ultrasonic testing’s: the velocity in concrete (left) and the integrity of piles (right) for strengthening the total excavation of the residential building in Sofia

In 2011, D. Dimov with the collaborators of the laboratory of Testing of structures at UACEG developes and improves the authenticity of the TDR method in the NDT of the pile-up R/C piles for strengthening the total excavation of the site: Residential building in UPI VIII-15, sq. 172, "West direction metro station B-7", Sofia. For all pilots, he performs a preliminary two-sided sonic testing to determine the actual concrete deformation module that is then needed to establish their integrity (Figure 3.37 and 3.38). Another modern method used in the last decade in the country for NDT of building structures and equipment is the acoustic emission (AE), which was applied by P. Ovcharov and B. Andreev from the Technical University of Varna in the study of the state of the steel blocks of mixers and reactors in the chemical industry and boilers of the thermal power plant. They used AE also for the detection of possible defects in existing old steel bridges in connection with the modernization of the railway in the sections September – Pazardzhik (2011); Pazardzhik – Stamboliyski (2011 – figures 3.39 and 3.40) and Stamboliiski – Plovdiv (2012). The schedules and diagrams for the number of signals, amplitudes and time (Figures 3.41 to 3.44) obtained by this method have been diagnosed in the operating mode riveted and welded joints for faults (weaknesses and cracks) and eventual presence of "fatigue" in the metal of bearing elements and structures.

115

Fig. 3.39 and 3.40. Moments of NDT with AE steel railway bridge at km 135+040 before the Stamboliyski station (left) and at km 154+004 in Plovdiv. (right)

Fig. 3.41 and 3.42. Diagrams of "Hits/Chanel" and "Amp/Time" with the AE tested railway bridge km 135+040

Fig. 3.43 and 3.44. Diagrams "Hits/Amp" for the tests with AE at the average and cross section of the steel railway bridge at km 135+040

Along with the new methods, the ultrasonic “time” method with its directions for determining the strength and deformation properties of concrete, for the presence of internal defects and for establishing the parameters of appeared cracks, continues wider to be used and introduced. In the Testing’s Laboratory of UACEG, D. Dimov and his collaborators by means of ultrasonic testing, qualify the concrete of type-produced by new technology "sprinkling" collector ditches EKT 200/50 (2014) and railway station platform elements PEM 76 (2015), needed for the modernization of the railway section Septemvri – Pazardjik from the Trans-European railway

116

network (Figure 3.45 and 3.46). In addition to the UNIPAN 543 Portable Ultrasonic Unit, the laboratory also is equipped with a new NAMICON Ultrasonic Unit, with additional electronic functions that make it easier to work and increase the security of measurements (Figure 3.45 and Figure 3.50). The same method has been used by the team for qualifying driving piles at Maritsa East TPP (2009) and R/C girders of the prefabricated roof structures of the BILLA hypermarkets in many cities of the country (fig 3.47 and 3.48) The team uses the method in its other direction – for diagnosis the depths of appeared cracks: in slabs on level -4,51m and in the foundation slab of Megapark Sofia Business Building (2012 – fig.3.49), as well as in the joint less hybrid dispersed reinforced flooring of Warehouse for finished product of LIDL Kabile (2016 – figure 3.50).

Fig. 3.45 and 3.46 Ultrasonic sonic testing for the classification of precast ditches EKT 200/50 (left) and platform elements PEM 76 (right)

Fig. 3.47 and 3.48 Ultrasonic testing for qualifying driving piles (left) and R/C girders of the prefabricated roof structures of BILLA hypermarkets (right)

117

Fig. 3.49 and 3.50 Ultrasonic diagnosis the depths of appeared cracks in Megapark Sofia (left) and in the industrial hybrid without expansion joints pavement of LIDL Kabile (right)

For the 2010 season until 2017, first D. Dimov and the associates of the Laboratory for Testing of structures at UACEG – Iv. Ivanov, S. Dimitrov and G. Tsonev, and later his colleagues At. Georgiev and K. Velinov conducted non-destructive tests to assess the condition of nearly 47 existing R/C and steel railway bridges, overpasses and underpasses and over 60 culverts located in 9 railway locations of sections: Railway junction Sofia (Central Station – Kazichene Station and Birmirtzi Station – Podoutyane Distribution Station); stages Elin Pelin – Ihtiman, Ihtiman – September, September – Pazardzhik, Pazardzhik – Stamboliyski, Stamboliyski – Plovdiv, Harmanli – Svilengrad and Svilengrad – Turkish and Greek borders, which directions are part of the Tans-European railway network. During the investigation of all of them have been applied specially selected methods and techniques for NDT, regardless to the diversity and differences of the facilities surveyed by type, age, location, materials and methods of construction, which allowed their current technical state to be established reliably and reasonably in accordance with the harmonized BSS EN standards. One of the basic methods was the impulse ultrasonic method (Figure 3.51 to 3.54 and [8]), which was used both for sonic testing on-site elements and structures (Figure 3.51 and 3.52) and for sonic testing concrete samples cut of them (Figures 3.53 and 3.54).

Fig. 3.51 and 3.52 Moments from the ultrasonic studies of the homogeneity and the strength-deformation characteristics of the concrete in R/C columns of Road overpass Stamboliyski (2017)

118

Fig. 3.53 and 3.54 Moments of ultrasonic examination of cut concrete samples

Fig. 3.55 and 3.56. Moments of conducting ultrasonic examinations for the qualification of the R/C walls in a newly built Sugar products factory in Sofia (2014)

Fig. 3.57 and 3.58 Moments of conducted ultrasonic examinations for qualified R/C columns in a newly built plastic craft factory in Shumen (2017)

119

Fig. 3.59 and 3.60 Ultrasonic diagnosis of cut drilling cores and monolithic wall with surface defects in an 8-storey building in Sofia (2018)

Similar research this extended team conducted for the diagnosis and qualified of a significant number of R/C columns and walls of a number of new buildings, such as "Factory for sugar products on H. Dimitar Str. in Sofia" in 2014 (Figures 3.55 and 3.56); "Factory for production of laminated boards, trays and plastic vessels in the city of Shumen" in 2017 (Figures 3.57 and 3.58) and others. In the present 2018, after supplying the laboratory with one of the most modern models of ultrasonic device, K. Velinov carried out a complex ultrasonic diagnosis of cut drilling cores (Figure 3.59) and of R/C walls and columns with available superficial defects (Figure 3.60) of an 8- storey building in Sofia. The results of this diagnosis, in terms of time and velocity of sonic testing, as the records of damping processes (reverberations – figures 3.61 and 3.62), allowed adequate measures to be taken to restore them and ensure the reliability and durability of the structures.

Fig. 3.61 and 3.62 Graphics of damping process of ultrasonic impulse at W12 on the 8th floor in places without and with the presence of surface defects

4. Conclusions 4.1. Already during the Bulgarian Renaissance, the ambition of the prominent builders to create more stronger and durable buildings and bridges has led to the application of simple but effective practices for determining the strength and behaviour of the structures. 4.2. The lasting introduction and development of the methods of building structure in Bulgaria dating from the middle of the last century together with the introduction of higher technical education in our country is the result of the continuous improvement of the methods and devices for NDT control as well as of the efforts and contributions of significant number of our technical specialists and scientists.

120

4.3. At present, most of the NDT methods are aimed at identifying the diverse properties of various basic and composite materials (concrete, reinforced concrete, masonry, insulation and protective coatings, CFRP, etc.) with the aim of visualizing the objects of research using the huge capabilities of digital modeling (scanning, tomographic imaging, etc.). 4.4. The visualization of the surveyed parameters of the sites further enhances the extremely important role of NDT methods that are properly used and in time, the process of management and control structures, can reduce the cost of their maintenance many times. References 1. Dimov D. Non-destructive tests of Structures, Sofia, „Direct Services“ Ltd, 2011. 2. Dimov D., T. Donchev. Application of the ultrasonic method for determining the strength

of the concrete after high-temperature influences, IX National Conference with international participation “Defectoscopie‘94”, 25-27.05.1994, Sofia, page 68-73.

3. Dimov D., T. Donchev. Influence of no uniform heating on results from ultrasonic tests of concrete, Х National Conference “Defectoscopie‘95”, Sozopol, 25-27.05.1995, page 235-238.

4. Dimov D., T. Donchev. Peculiarity of the Ultrasonic Method for determination of the Residual Sstrengths of Concrete after high-temperature influence, 2-nd RILEM International Conference on “Diagnosis of Concrete Structures”, October, 1996, Strbske Pleso, Slovakia.

5. Dimov D., T. Donchev, P. Bojkova. Non-destructive control for assessment of factors of influence of real fire effects on R/C structures, ХII National Conference “Defectoscopie‘99”, Sozopol, June 1999, page 237-241.

6. Dimov D., Condition of NDT control of structures and bridges in Bulgaria. Scientific proceedings (ISSN 1310-3946), Year XX, Number 1(130) June 2012.

7. Dimov D., A. Georgiev, R. Dimitrov. Application of the Radiography for establishing the state of the tensional ropes in Prestressed R/C Roof Beams of Storage building. Scientific proceedings (ISSN 1310-3946), Year XXII, Number 1(140) June 2014.

8. Dimov D., Methodological characteristics and technics for investigation of existing Railway Bridges, Annual of the University of architecture, civil engineering and geodesy, Volume 50, Issue 1, 2017.