Введение к работе
. Актуальность диссертационных исследований.
Термографическая информация о распределении температур на поверхностях оборудования и конструкций позволяет контролировать различные технологические процессы, а также анализировать состояние оборудования, диагностировать дефекты и принимать решение о необходимости ремонта оборудования или его аварийной остановке. Информацию о распределении теплового поля в настоящее время получают с помощью специальных приборов - термографов (тепловизоров). Несмотря на широкое распространение тепловизоров смотрящего типа, в которых используются многоэлементные приемники излучения, существует ряд задач, когда целесообразно применять сканирующие термографические приборы. Это связано с тем, что из-за неоднородности параметров и характеристик отдельных чувствительных элементов матричных приемников требуется частая калибровка матрицы во время работы, что приводит к усложнению и соответственно к удорожанию приборов такого типа. Наибольшую трудность при этом представляет термостабилизация параметров полупроводниковых ячеек в матрицах. Кроме того, недостатками тепловизоров смотрящего типа является наличие фокусирующей линзы, что накладывает ограничения на применения таких приборов в условиях грязи, пыли брызг металлов и приводит к удорожанию эксплуатации таких приборов.
В настоящей работе приведены разработки строчно-сканирующих термографов, в которых используются одноэлементные приемники излучения. Сканирование в таких приборах осуществляется вдоль строки, а развертка температурного поля создается с помощью перемещения объекта сканирования или самого термографа. Строчно-сканирующие термографы чаще всего применяются для контроля за различными движущимися объектами, например, при осуществлении контроля стенки корпуса вращающихся печей цементного производства. К типу сканирующих приборов относятся тепловизоры: Иртис 2000С, выпускаемый российской компанией «Иртис», МР150 фирмы «Raytek», используемый в системе CS210 и другие.
Несмотря на то, что в России термографии в последние годы посвящено ряд
работ: Е.В.Абрамова, О.Н.Будадин, В.П.Вавилов, Д.А.Нестерук, В.Г.Торгунаков и др. и на рынке присутствует большое разнообразие отечественных и зарубежных тепловизионных приборов, существуют специализиро-
ванные задачи термографического контроля, решение которых требует как приборов, так и программного обеспечения, адаптированных под конкретные технологические процессы. Так, например, в рамках настоящей работы установлено, что по распределению теплового поля на поверхности стенки корпуса реактора замедленного коксования в производстве нефтяного кокса, возможно осуществлять контроль высоты образования коксующейся массы внутри реактора, т.е. решать задачи уровнеметрии. Контроль теплового поля развертки цилиндрической стенки корпуса печи в цементном производстве позволяет не только вести технологический контроль за обжигом клинкера, но и решать задачи дефектоскопии. Термографический контроль футеровок технологического оборудования позволяет продлевать срок его службы и предотвращать аварийные ситуации. Поэтому создание дешевых термографических комплексов, адаптированных под эксплутационные условия технологических процессов, является актуальной проблемой.
С учетом вышесказанного актуальность настоящих диссертационных исследований обусловлена:
Необходимостью создания дешевых комплексов термографического контроля, адаптированных под конкретные технологические процессы, реализующих визуализацию тепловых полей строчно-сканирующими преобразователями и осуществления алгоритмической обработки полученной информации.
Цель диссертационных исследований:
Разработка специализированных термографических комплексов для задач теплового контроля в производствах цемента, минеральной ваты, нефтяного кокса, алгоритмического и программно-технического обеспечения визуализации и обработки изображений тепловых полей.
Задачи диссертационных исследований:
Обосновать целесообразность применения для первичного преобразователя термографического комплекса приемника излучения на основе PbSe фоторезистора.
Разработать математическую модель, обеспечивающую адекватность геометрии тепловых полей и размеров прогаров футеровок при их визуализации с помощью строчно-сканирующего термографа.
Разработать строчно-сканирующий термографический комплекс с программным обеспечением, адаптированным для задач теплового контроля процессов обжига сырья в цилиндрических вращающихся печах, обнаружения изменений толщины футеровочного слоя.
Разработать аппаратно-программный термографический комплекс строчно-сканирующего контроля температуры поверхности стенки реактора, находящегося под избыточным давлением, обеспечивающий технологический контроль за уровнем образования нефтяного кокса.
Разработать функциональную схему и специализированное программное обеспечение совмещения изображений тепловых полей от четырех строчно-сканирующих преобразователей для термографического комплекса автоматизированного контроля свода рекуперативной плавильной печи в производстве минеральной ваты.
Положения выносимые на защиту:
Обобщенная функциональная схема термографического комплекса контроля технологических процессов.
Обоснование выбора для поставленных задач фоторезистора на основе PbSe в качестве приемника излучения для первичного строчно-сканирующего преобразователя
Разработанная математическая модель геометрических представлений тепловых полей, полученных при визуализации с помощью строчно-сканирующего преобразователя.
Разработанный алгоритм динамического анализа тепловых полей, изменяющихся во времени по двум координатам.
Разработанные алгоритмы термографического контроля процессов коксообразования в производстве нефтяного кокса.
Алгоритмы совмещения и визуализации общего теплового поля,
формируемого при помощи четырех термографических сканирующих
первичных преобразователей.
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:
Анализ и обоснование целесообразности применения PbSe-фоторезистора в качестве приемника излучения для строчно-сканирующего преобразователя без использования систем охлаждения и оптических элементов.
Разработаны математические модели геометрических представлений тепловых полей, полученных при визуализации с помощью строчно-сканирующего преобразователя, позволяющие уменьшить искажения при визуализации геометрии дефектов футеровок.
Предложен новый подход анализа термографического изображения двумерного теплового поля, изменяющегося во времени.
Разработан специализированный термографический комплекс строчно-сканирующего контроля процессов обжига, адаптированный под тепловой контроль поверхности стенок корпуса вращающихся печей.
Предложена функциональная схема автоматического теплового контроля свода корпуса рекуперативной печи, при помощи четырех сканирующих первичных преобразователей, в производстве минеральной ваты.
Исследована возможность термографической уровнеметрии в производстве нефтяного кокса.
Практическая ценность работы состоит в следующем.
Разработан комплекс термографического контроля технологических процессов обжига сырья и диагностирования состояния футеровки для цилиндрических вращающихся печей, адаптированный под различные технологические процессы.
Разработан специализированный термографический комплекс для контроля уровня коксообразования в производстве нефтяного кокса.
Разработан специализированный термографический комплекс, позволяющий автоматизировать контроль свода рекуперативной плавильной печи в производстве минеральной ваты, при помощи четырех первичных преобразователей.
Внедрение результатов работы
Термографические комплексы контроля стенок корпуса вращающихся печей обжига внедрены в производстве прокалки нефтяного кокса в ОАО «Газпромнефть-ОНПЗ»; на печах обжига бокситового сырья в АО «Алюминий Казахстана» (г. Павлодар, Казахстан); в ОАО «БАЛЦЕМ», (г. Балаклея, Украина) на двух печах обжига клинкера в производстве цемента.
Специализированный термографический комплекс для задач уровнеметрии в процессах коксообразования при производстве нефтяного кокса внедрен на ОАО «Газпромнефть-ОНПЗ».
Комплекс термографического контроля свода рекуперативной плавильной печи внедрен на ОАО «АКСИ» (г. Челябинск). Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских научно-технических конференциях: «Динамика систем, механизмов и машин», III Международная научно-техническая конференция (Омск, 1999), «Военная техника, вооружение и технологии двойного применения» III международный технологический конгресс (Омск, 2005), «Динамика систем, механизмов и машин», VI Международная научно-техническая конференция (Омск, 2007), «Температура 2004», II Всероссийская конференция по проблемам термометрии (Подольск, 2004)и др.
Публикации
По материалам диссертационных исследований опубликовано 21 печатная работа, из них 6 тезисов доклада и 12 статей (в изданиях из списка ВАК - 5 статей), два свидетельства отраслевого фонда алгоритмов и программ об отраслевой регистрации разработки и свидетельство о регистрации электронного ресурса.
Личный вклад автора
Автором разработаны алгоритмическое и программно-техническое обеспечение для задач теплового контроля при обработке сигналов от строчно-сканирующих преобразователей. Разработка функциональных схем систем
термографического контроля и внедрение проводилось при непосредственном участии автора. Автору принадлежит математическая модель геометрических представлений тепловых полей, полученных при визуализации с помощью строчно-сканирующего преобразователя и программные продукты для разработанных термографических комплексов.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Диссертация изложена на 142 листах основного текста, содержит 73 рисунка, 4 таблиц и 3 приложения.
