Содержание к диссертации
Введение
1. Обоснование необходимости разработки информационно-измерительной системы контроля состояния пузырькового парожидкостного потока методом технического зрения 12
1.1. Обзор методов и средств контроля состояния пузырькового парожидкостного потока 12
1.2. Предпосылки для применения средств технического зрения в задаче контроля состояния пузырькового парожидкостного потока путем анализа распределения яркости изображений потока. 21
2. Разработка методического обеспечения информационно-измерительной системы 34
2.1. Общие положения 34
2.2. Предварительная обработка изображений пузырькового парожидкостного потока 37
2.3. Разработка методик определения паросодержания пузырькового парожидкостного потока 42
2.4. Разработка методики определения групповой скорости движения паровых пузырей
3. Исследование эффективности контроля состояния пузырькового парожидкостного потока методом технического зрения 52
3.1. Разработка информационно-измерительного комплекса автоматизированной обработки изображений 52
3.2. Опытные испытания методик контроля параметров пузырькового парожидкостного потока путем анализа распределения яркости изображений потока с помощью средств технического зрения 73
3.3. Определение оптимальных параметров оптической системы визуализации пузырькового парожидкостного потока. 79
4. Разработка функциональной структуры информационно-измерительной системы 101
4.1. Функциональные задачи и структура распределенной информационно-измерительной системы 101
4.2. Структура программного обеспечения информационно-измерительной системы 104
4.3. К выбору структуры аппаратных средств подсистемы нижнего уровня 108
Основные выводы и результаты 118
Список использованной литературы 120
- Предпосылки для применения средств технического зрения в задаче контроля состояния пузырькового парожидкостного потока путем анализа распределения яркости изображений потока.
- Предварительная обработка изображений пузырькового парожидкостного потока
- Опытные испытания методик контроля параметров пузырькового парожидкостного потока путем анализа распределения яркости изображений потока с помощью средств технического зрения
- Структура программного обеспечения информационно-измерительной системы
Введение к работе
Актуальность работы. При реализаций современной концепции безопасности ядерных энергетических установок (ЯЭУ) значительная роль отводится системам контроля состояния теплоносителя ядерных реакторов, являющимся важнейшими элементами, повышающими безопасность ЯЭУ.
В нашей стране широко распространены канальные ядерные реакторы, в которых теплоносителем служит парожидкостной поток, образующийся в результате нагрева и частичного испарения воды, циркулирующей в технологических каналах и охлаждающей тепловыделяющие элементы. Для обеспечения нормальных режимов работы ЯЭУ и предотвращения аварийных ситуаций требуется непрерывный контроль параметров парожидкостного потока в каналах реакторов.
Начиная с 60-х годов прошлого века усилиями таких ученых и специалистов как Ю.В. Харитонов, Э.А. Болтенко, В.И. Мельников и других разработан ряд методов контроля параметров парожидкостного потока, среди которых для пузырькового режима, являющегося основным режимом тече-ния потока в канальных реакторах, одним из наиболее эффективных является контроль параметров потока путем анализа распределения яркости его изображений.
Становление этого метода связано с именами В.И. Толубинского, Б.А. Кольчугина, Ю.М. Быковского и И.А. Попова, проводившими исследования по диагностике пузырькового парожидкостного потока с помощью кино-, фото- и видеосъемки. Использовалась стандартная процедура получения кино- и фотоснимков потока и последующая их ручная обработка. Видеосъемка применялась в основном для визуального контроля сцен течения потока. В связи с отсутствием необходимой инструментально-технической базы, задаче автоматизации процесса получения и обработки визуальной информации в то время было уделено мало внимания, а контроль состояния пузырькового парожидкостного потока путем анализа распределения яркости его изображений мог осуществляться только периодически и только ретроспективно.
Сегодня, когда в соответствии с постоянно ужесточающимися нормами по безопасности ЯЭУ необходимо обеспечить непрерывный контроль параметров пузырькового парожидкостного потока в реакторах, с одной стороны, и, когда, появилась возможность полностью автоматизировать контроль этих параметров путем анализа распределения яркости его изображений с помощью современных информационных технологий и средств технического зрения, с другой стороны, особенно актуальным является создание системы оперативного контроля состояния пузырькового парожидкостного потока методом технического зрения.
Важнейшей задачей, которую требуется решить при создании такой системы, является разработка методик контроля параметров пузырькового парожидкостного потока путем анализа распределения яркости его изобра- жений, реализующих возможности современных информационных технологий и средств технического зрения.
Указанные обстоятельства определили направление исследования настоящей работы.
Объектом исследования является автоматизация оперативного контроля состояния пузырькового парожидкостного потока путем анализа распределения яркости его изображений с целью создания автоматизированной оптической системы контроля состояния потока, позволяющей повысить безопасность реакторов с парожидкостным теплоносителем.
Предметом исследования являются методики и алгоритмы оперативного контроля параметров пузырькового парожидкостного потока путем анализа распределения яркости его изображений.
Гипотеза исследования: если разработать методики и алгоритмы контроля пузырькового парожидкостного потока путем анализа распределения яркости его изображений с помощью средств технического зрения, то можно автоматизировать оперативный контроль состояния потока и создать систему контроля состояния пузырькового парожидкостного потока методом технического зрения, позволяющую повысить безопасность ядерных реакторов с парожидкостным теплоносителем.
Исследования, проводимые по теме диссертации, выполнялись в рамках целевой программы повышения безопасности атомных электрических станций в направлении поэтапного внедрения систем контроля и диагностики АЭС
Целью работы является развитие подхода к автоматизации оперативного контроля состояния пузырькового парожидкостного пузырькового потока путем анализа распределения яркости изображений потока на основе использования средств технического зрения.
В соответствии с указанной целью были поставлены и решены следующие задачи: разработаны методики оперативного контроля параметров пузырькового парожидкостного потока путем анализа распределения яркости изображений потока с помощью средств технического зрения; разработано программно-алгоритмическое обеспечение предложенных методик; проведено экспериментальное исследование работоспособности предложенных методик контроля и оценка их эффективности; разработана функциональная структура информационно-измерительной системы контроля состояния пузырькового парожидкостного потока методом технического зрения.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы формирования и преобразования сигналов в оптико-электронных системах, методы обработки изображений, методы математической статистики и планирования эксперимента.
Научная новизна. Основным научным результатом представляется развитие подхода к автоматизации оперативного контроля состояния пузырькового парожидкостного потока путем анализа распределения яркости изображений потока с помощью средств технического зрения. Подход теоретически обоснован и доведен до конкретных методик контроля параметров потока.
Разработана методика определения паросодержания в сечении потока путем вычисления отношения суммарной площади, занимаемой на изображениях потока образами паровых пузырей к общей площади кадра изображения, позволяющая осуществлять оперативный контроль паросодержания в сечении потока с помощью средств технического зрения.
Разработана методика определения объемного паросодержания путем вычисления отношения суммарного объема паровых пузырей в анализируемом пространстве к общему объему этого видимого пространства, позво-ляющая осуществлять оперативный контроль объемного паросодержания с помощью средств технического зрения.
Разработана методика определения групповой скорости движения паровых пузырей путем вычисления функции взаимной корреляции между распределениями яркости пар последовательных кадров изображений парожидкостного потока, позволяющая осуществлять оперативный контроль скорости пара с помощью средств технического зрения.
Достоверность научных положений, содержащихся в диссертации, подтверждена имитационным моделированием, экспериментальными исследованиями, опытно-промышленными испытаниями и практической реализацией разработанных методик.
Практическая ценность работы. Автоматизация оперативного контроля состояния пузырькового парожидкостного потока путем анализа распределения яркости его изображений с помощью средств технического зрения позволяет создать систему оперативного контроля состояния пузырькового парожидкостного потока методом технического зрения, повышающую безопасность работы ядерного реактора с парожидкостным теплоносителем. -
Разработанные методики оперативного контроля параметров пузырькового потока путем анализа распределения яркости его изображений с помощью средств технического зрения универсальны для широкого класса пузырьковых сред (пар-жидкость, газ-жидкость), поэтому могут быть использо- ; ваны не только на предприятиях атомной энергетической промышленности, '>." -'; но также химической и теплоэнергетической промышленности, в научно-исследовательских институтах при создании и внедрении в производство систем контроля состояния пузырьковых парожидкостного и газожидкостного потоков методом технического зрения.
Реализация результатов работы. Предложенные в диссертации методики и алгоритмы контроля параметров пузырькового парожидкостного потока прошли опытную эксплуатацию на теплофизическом стенде, модели- рующем реакторный контур ядерной энергетической установки, и внедрены в научно-исследовательскую тематику работ Севастопольского института ядерной энергии и промышленности, а также в учебный процесс Ивановского государственного энергетического университета, что подтверждается соответствующими документами.
Основные положения, выносимые на защиту:
Методики и алгоритмы оперативного контроля параметров пузырькового парожидкостного путем анализа распределения яркости изображений потока с помощью средств технического зрения.
Результаты имитационного моделирования, экспериментального исследования, опытно-промышленных испытаний и практической реализации разработанных методик и алгоритмов. /".?"-
Функциональная структура информационно-измерительной системы контроля состояния пузырькового парожидкостного потока методом технического зрения. V ,
Апробация работы. Основные положения диссертации и ее отдельные результаты докладывались на научно-технических конференциях:
Международная конференция «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках», г. Москва, 1999 г. ..*:"'
Международная научно-техническая конференция «IX Бенардо-совские чтения», г. Иваново, 1999 г.
Вторая Научно-техническая конференция «Повышение эффективности теплоэнергетического оборудования», г. Иваново, 2000 г.
Международная конференция «Физические основы экспериментального и математического моделирования процессов газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках», г. С.-Петербург, 2001 г. VII-я Международная конференция «Безопасность АЭС и подготовка кадров», г. Обнинск, 2001 г.
Международный конгресс «Энергетика-3000», г. Обнинск, 2002 г.
Третья Всероссийская научно-практическая конференция «Повышение эффективности теплоэнергетического оборудования», г. Иваново, 2002 г. ''..-..-
Вторая Научная сессия МИФИ «Научно-инновационное сотрудничество», Москва, 2003 г. :;
Научно-техническая конференция «Интеллект - 2003», г. Тула, ^ 2003г. .Г\'"*.""- ;-V-;> . '-'."Ч
Предпосылки для применения средств технического зрения в задаче контроля состояния пузырькового парожидкостного потока путем анализа распределения яркости изображений потока.
Термин техническое зрение определяет техническую систему, в которой универсальная вычислительная машина или специализированное вычислительное устройство используются для обработки визуальной информации [29]. Такая система содержит датчик визуальной информации, формирующий числовой или электронный аналог изображения наблюдаемой сцены, и средства, позволяющие извлекать полезную информацию из полученного изображения. При подготовке сцены для восприятия системой технического зрения учитываются следующие факторы: освещение, выбор приемного оп-тического устройства и датчика визуальной информации, взаимодействие с ЭВМ,
Освещение. Освещение служит важным фактором, который влияет на характер и качество визуализации пузырькового парожидкостного потока, рис. 1.4. При освещении парожидкостнои среды световое излучение проходит через бесцветные среды (жидкость и пар), обладающие высокой оптической прозрачностью. Визуализация картины потока происходит благодаря отражению и преломлению света границей раздела фаз, при этом пузырьковые парожидкостные потоки характеризуются высокой фотогеничностью. Способы их освещения качественно подразделяются на два типа [24]. При свето-польном освещении («освещении на просвет») угол между направлением освещения и направлением наблюдения составляет примерно 180. Дисперсные частицы в этом случае видны в виде темных объектов на светлом фоне. При темнопольном освещении указанный угол существенно меньше, и наблюдается обратная картина: на темном фоне присутствуют светлые объекты. Тем-нопольное освещение дает более высокий контраст для пузырьков малого размера, однако, этот способ создает трудные условия для визуальной регистрации из-за низкой светопередачи. Поэтому в большинстве случаев целесообразно использовать светопольный способ освещения, который в свою очередь подразделяется на коллимирующий и диффузионный. В первом случае лучи света осветителя собираются в направленный пучок специальными линзовыми системами (коллиматорами).
В световодах используется явление полного внутреннего отражения, за счет которого осуществляется перенос световой энергии по световоду на расстояние [32-34]. Распространение света в световоде характеризуется потерями на распространение и спектральной полосой пропускания. В настоящее время применяются световоды, изготовленные из кварцевого и полимерного стекла. Получение с помощью объектива действительного уменьшенного перевернутого оптического изображения Взаимное расположение волокон в световодном жгуте должно быть упорядочение, т.е. идентично на входном и выходном торцах жгута. Различие в яркости отдельных участков изображения, передаваемых каждым отдельным световодом, в своей совокупности обеспечивает формирование «мозаичной» картины в плоскости, где расположены выходные торцы световодов.
Разрешающая способность волоконно-оптических устройств определяется диаметром волокон, который может составлять 4... 12 мкм; плотность размещения волокон достигает порядка 30000 элементов на квадратный миллиметр [34].
Волоконно-оптические устройства хорошо совместимы с современной оптоэлектронной аппаратурой, в том числе, с источниками света и фотоприемниками, обладают химической, термической и радиационной стойкостью (порядка 1000000 рад/час), а также прочностью и гибкостью, позволяющей внедряться в труднодоступные места.
Имеется зарубежный и отечественный опыт применения специализированных оптических зондов для контроля состояния металла оборудования и трубопроводов атомных электрических станций [35]. Указанные особенности свидетельствуют о возможности использования волоконно-оптических устройств для дистанционной подсветки зоны контроля пузырькового парожидкостного потока и передачи световой информации из зоны контроля датчику визуальной информации, причем сам источник света и датчик могут быть удалены в место, где поддерживаются нормальные условия их работы.
Приемное оптическое устройство. С помощью приемного оптического устройства изображение анализируемой сцены через систему линз должно проецироваться на чувствительный элемент датчика визуальной информации (видеосенсора). В качестве приемного оптического устройства можно использовать стандартный объектив, если его фокусное расстояние обеспечивает получение требуемой по масштабу проекции изображения. Тогда в соответствии с принципами геометрической оптики [36-38] с помощью объектива в фокальной плоскости расположения видеосенсора формируется уменьшенное оптическое изображение анализируемой сцены течения пузырькового парожидкостного потока, рис. 1.8.
Видеосенсоры. Видеосенсоры преобразуют визуальную информацию в электрические сигналы. Основными типами видеосенсоров, используемыми в системах технического зрения, являются видеокамеры, которые состоят из электронной трубки или чувствительного твердотельного элемента с соответствующими электронными блоками.
Наиболее характерным представителем семейства электронных трубок является трубка видикон, а твердотельного чувствительного элемента -многоэлементные приемники излучения, выполненные по микроэлектронной технологии на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС) [39,40].
Предварительная обработка изображений пузырькового парожидкостного потока
Операции предварительной обработки направлены на облегчение выполнения основных этапов технического зрения и проводятся в целях коррекции различных искажений, удаления шумов, сжатия информации и т.п.
Исследуемое изображение может повреждаться шумами и помехами различного происхождения, например, шумом видеосенсора, ошибками в канале передачи информации, влиянием внешних факторов. Они обычно проявляются как разрозненные изменения изолированных элементов, не обладающие пространственной корреляцией. Искаженные элементы заметно отличаются от соседних. Широко распространенный подход минимизации влияния шума основан на использовании методов пространственной обработки, среди которых алгоритмы, осуществляющие свертку изображения в окне (2ЛТ+1)х(2ЛГ+1) со специально подобранной сглаживающей матрицей (маской), медианная фильтрация [48-53]. Размер окна свертки существенно влияет на время обработки, поэтому наиболее распространено использование окна размером 3x3 с шумоподавляющими масками, реализующими взвешенное усреднение центрального элемента окна по 8-ми соседям.
Алгоритмы фильтрации и сглаживания, устраняя высокочастотные шумы, одновременно приводят к потере мелких деталей изображения и к размыванию границ объектов, что напоминает эффект расфокусировки. При медианной фильтрации яркость центрального пиксела окна заменяется не средним, а медианным значением яркости элементов окна. В результате реализации такого алгоритма на изображении подавляются локальные помехи, состоящие из L K элементов (пикселов), а размывания границ не происходит. В данном случае эта операция более предпочтительна, но ее реализация требует большого объема вычислений.
Основными этапами обработки изображения при втором подходе является выделение границ объектов по перепаду функции яркости и идентификация контуров отдельных объектов с последующим вычислением требуемых параметров. Предварительный анализ изображений пузырькового парожидкостного потока показал, что края силуэтов пузырей часто имеют весьма сложную форму, поэтому обработка таких контурных изображений затруднительна.
Различия в интенсивности внешнего светового потока, прошедшего через жидкость и область парового пузыря позволяют отделять последние от фона (области жидкости). Наиболее простой способ определения порога бинаризации основан на получении информации о значениях яркости фона, полученной по результатам обработки серии фоновых изображений среды.
Методики определения паросодержания пузырькового парожидкостного потока путем анализа распределения яркости изображений потока с помощью средств технического зрения основаны на выделении в поле изображения однородных по яркости областей, соответствующих паровой фазе и использовании полученной информации для определения относительной доли пара в сечении или объеме анализируемого пространства.
Каждое значение паросодержания определяется по одному кадру бинарного изображения пузырькового парожидкостного потока По результатам обработки серии кадров , следующих с определенной периодичностью, могут быть получены усредненные значения паросодержания.
Опытные испытания методик контроля параметров пузырькового парожидкостного потока путем анализа распределения яркости изображений потока с помощью средств технического зрения
Целью испытаний являлось проверка работоспособности и оценка эффективности разработанных методик и алгоритмов.
Испытания проводились на теплофизическом стенде Севастопольского института ядерной энергии и промышленности с помощью информационно-измерительного комплекса автоматизированной обработки изображений. Стенд представляет собой двухконтурную теплофизическую модель активной зоны ядерной энергетической установки, рис.3.13. Технические возможности стенда позволяют проводить эксперименты по изучению кризисных режимов тепловыделяющих элементов в условиях естественной и принудительной циркуляции пароводяного теплоносителя.
В состав экспериментального теплофизического стенда входят: - контур циркуляции со вспомогательными системами; - система электропитания; - контрольно-измерительная система; - система автоматизации физического эксперимента. В качестве теплоносителя в циркуляционном контуре используется дистиллированная вода. Диапазон режимных параметров теплоносителя: . Теплофизический стенд, моделирующий реакторный контур ядерной энергетической установки - давление Р =0,1-- 16 МПа; - температура до 280 С; - массовая скорость рсо=10...3000 кг/м с.
Обогрев экспериментального канала осуществляется непосредственным пропусканием постоянного тока через тепловыделяющий элемент от электрогенератора, мощность которого позволяет достигать максимальной плотности теплового потока на тепловыделяющем элементе р=2,5 МВт/м2.
Циркуляционный контур стенда состоит из экспериментального участка 1, подъемного (тягового) участка 2 с паровым конденсатором 3, теплообменника (опускного участка) 4, воздуходувки 5, циркуляционного насоса 6 и подогревателя теплоносителя 7, рис.3.14.
Экспериментальный участок представляет собой толстостенный цилиндрический сосуд, внутри которого размещен канал, состоящий из направляющей трубки и тепловыделяющего элемента.
Для организации ввода и вывода оптического излучения из канала в средней по высоте части экспериментального канала установлен оптикоме-ханический узел просветки 11. Он состоит из фланцев смотрового канала и двух фланцев со смотровыми иллюминаторами. В качестве иллюминаторов применены кварцевые стекла марки ЛК-5 диаметром 50 мм и толщиной 30 мм, которые уплотнены в посадочных стаканах фторопластовыми прокладками и поджаты резьбовыми кольцами.
Механизм проведения исследования на стенде следующий: после вы ведения стенда на заданный статический режим производился резкий наброс мощности, что вызывало изменение всех параметров теплоносителя в сторону их повышения. Непрерывное отслеживание контрольных параметров осуществлялось до момента достижения установившегося состояния уже на новом уровне мощности. На основе измеренных значений параметров с использованием математической модели исследуемого процесса [58] с помощью системы автоматизации физического эксперимента рассчитывалось теоретическое паросодержание. Параллельно с этими измерениями с помо і шью информационно-измерительного комплекса автоматизированной обра ботки изображений снимались показания паросодержания.
Структура программного обеспечения информационно-измерительной системы
Программное обеспечение должно обеспечивать эффективную работы всех технических средств и координацию работы системы в целом. Это достигается на основе модульного построения программ [41]. Требования обработки изображений в реальном масштабе времени наилучшим образом обеспечиваются при программировании на языке ас -% семблера, но это связано с ростом затрат на создание программных средств. Компромиссом является использование ассемблера для записи рабочих про-грамм, непосредственно предназначенных для обработки данных, в то время как программы пользователей, предназначенные для обслуживания системы, записывают на языках более высоких уровней. С ростом достижений в области преобразования информации требования по созданию оптимальных (с точки зрения затрат времени) средств программирования становятся менее значимым фактором, чем тот, на каком этапе обработки Данных пользователь начинает применять язык высокого уровня [41]. Для организации взаимодействия системы с видеокамерой и периферийными устройствами можно использовать программные модули обработки, которые необходимо связать с проблемно-ориентированными программами, организовав их реализацию аналогично подпрограммам. Для сопряжения аппаратных средств изготовитель системы должен включать в про Ф граммное обеспечение и соответствующие, ориентированные на средства со -. пряжения модули.
Уровень методов охватывает прикладные программы, реализующие относительно сложные процедуры, направленные на решение отдельных задач обработки информации. Программы уровня функций реализуют алгоритмы автоматической обработки и распознавания изображений. Отдельные модули функций, дополненные соответствующими признаками, могут быть отнесены к вышестоящему уровню процедур. Системный уровень включает стандартное и специальное (вспомогательное) системное программное обеспечение, предназначенное для управления устройствами и процессами обработки информации, а также поддержки различных типов данных.
Уровень методов (процедур). Процедуры измерения параметров пузырькового парожидкостного потока путем анализа распределения яркости изображений потока.
Уровень функций. Функции, относящиеся к предварительной обработке изображений: бинаризация; сегментация однородных областей, прослеживание компонент связности; вычисление геометрических характеристик объектов изображения; формирование выборок яркости кадров.
Уровень драйверов. Управление видеокамерами и коммутацией видеокамер. Стандартные и вспомогательные модули. Указатели ошибок и реакции на обращение, загрузочный модуль для изображений, модули арифметических операций с плавающей и фиксированной точкой, а также для вывода текстовой информации.
В электронном тракте информационно-измерительной системы видеоинформация представлена в цифровой форме. Объем оцифрованной входной информации зависит от числа элементов дискретизации изображения - пикселов, а также от числа градаций яркости (разрядности преобразования аналогового сигнала в цифровой).
Цифровые изображения, как объекты обработки представляют особый тип данных, характеризующих внутренней структурой. Этой структурой яв-ляется массив ШМ целых чисел. Емкость ОЗУ микроконтроллера. Исходными данными для оценки информационной емкости ОЗУ, измеряемой числом слов (байт), являются: объем входной видеоинформации — Q слов; объем выходной информации — Р слов; число одновременно хранимых на каждом /-м этапе обработки видео I информации промежуточных величин 7лс для каждого k-то алгоритма; число уровней прерывания т.
В рассматриваемой задаче объем входного многоградационного видеоизображения составляет примерно Q =260 кбайт; выходной информацией является результат вычисления текущего значения паросодержания, следовательно P&26Q кбайт. Для обработки мноградационного изображения используются процедуры бинаризации, выделения связных компонент и расчета геометрических характеристик объектов (пузырей). Основным промежуточным результатам обработки является бинарное изображение емкостью примерно 70 кбайт. С учетом приведенных выкладок общая емкость ОЗУ должна состав-., лять не менее 2 Мбайт.
Быстродействие микроконтроллера. Поскольку в аппаратных средствах нижнего уровня присутствует аналоговая и цифровая части, анализ их . быстродействия в целом может быть произведен при выполнении следующего условия: аналого-цифровое преобразование и последующие операции над кодоимпульсными сигналами могут начинаться после того, как закончатся переходные процессы в аналоговой части. Общее время получения количественной информации ТЕ будет определяться суммарным временем аналоговых та и цифровых тц преобразований [55]. Время та, необходимое для выполнения аналоговых преобразований, может быть определено путем анализа работы видеокамеры на ПЗС. В ПЗС-видеокамере восприятие двумерных изображений и их отображение соответствующими электрическими сигналами осуществляется путем генерирования электрических зарядов на ПЗС-элементах под действием падающего света в течение времени интегрирования т„. Амплитуда видеосигнала зависит от времени интегрирования и силы падающего света.
