Введение к работе
Актуальность темы. Развитие и совершенствование цифровых телевизионно-измерительных систем способствует широкому распространению в различных отраслях промышленности -машиностроении, металлургии, стекольном производстве оптических методов диагностики, отличающихся высокой чувствительностью, отсутствием инерционных погрешностей и влияния на объект исследования
Особую актуальность представляют промышленные
телевизионные системы для наблюдения в зонах с экстремальными условиями эксплуатации - высокими температурами (Т > 700 С), агрессивными газовыми средами, где пребывание человека - оператора сопряжено с известными для жизни опасностями В производствах с высокотемпературными процессами - изготовлении стекла и стеклянных изделий, металлов, сплавов, тепловой энергии требуется создание автоматизированных систем управления технологическими процессами с использованием телевизионных систем Для решения поставленной задачи необходимо проведение целого комплекса исследований.
В экстремальных условиях потоки лучистой энергии и раскаленного газа оказывают комплексное воздействие на телевизионный зонд Поэтому важным этапом исследований является моделирование тепловых режимов передающей телевизионной камеры и разработка новых принципов построения систем, обеспечивающих нормальный тепловой режим зонда
Необходимость визуализации раскаленных поверхностей в плавильных печах, установках торкретирования, теплообменниках с целью обнаружения и измерения параметров различных дефектов требует выполнение исследований, нацеленных на поиск и разработку телевизионных методов определения размеров и формы объектов
Научный и практический интерес представляют исследования, посвященные адаптации в составе высокотемпературного телевизионного зонда известных пирометрических методов измерения температур и разработке новых с учетом современных методов цифровой обработки изображений и существующей элементной базы
Целью данной диссертационной работы является разработка
телевизионных методов визуализации и пирометрии
высокотемпературных объектов и процессов, позволяющих в экстремальных условиях эксплуатации телевизионных зондов обеспечить высокое качество изображения, необходимую точность измерений температуры и размеров объектов, надежность и автоматизацию работы
Задачи диссертационной работы:
1) для экстремальных условий разработать телевизионный метод
визуализации и измерения морфологии раскаленной поверхности
объекта, термостойкую телевизионную систему, программное
обеспечение и исследовать их характеристики,
2) адаптировать к телевизионному методу визуализации
известные методы оптической пирометрии: яркостнои, спектральных
отношений и на их основе разработать новые цифровые методы
измерения температуры для термостойких телевизионно-
пирометрических систем (ТПС),
для ТПС разработать светодиодные двухцветные эталонные источники яркостнои температуры и исследовать их характеристики,
провести экспериментальные исследования разработанных ТПС с целью определения функциональных возможностей, погрешностей измерения температуры и апробирование созданного программного обеспечения
Методы исследования. При проведении экспериментальных исследований применялись методы оптической пирометрии, фотометрии, зондовой термометрии
Использовались математические методы расчета и статистической обработки экспериментальных данных с применением ЭВМ.
Научная новизна
1. С использованием методов спектральной фильтрации, оптических систем с малой апертурой входного зрачка, систем встроенной диагностики, термостатирования и пирометрии разработан и исследован новый класс термостойких телевизионных зондов
2 Разработан и экспериментально апробирован новый метод монохроматической подсветки раскаленной поверхности объекта Показано, что использование коротковолнового излучения, в т ч с длиной волны k=532±10 нм, обеспечивает в диапазоне температур 800-1500С формирование наиболее качественного телевизионного изображения исследуемого объекта.
Разработан и экспериментально апробирован новый лазерно-телевизионный трассовый метод, позволяющий визуализировать и измерять геометрические характеристики поверхностных дефектов, в том числе, в условиях высоких температур
Впервые предложена оптико-геометрическая модель трассового лазерно-телевизионного измерителя, позволяющая оценивать методическую погрешность измерения геометрических характеристик поверхностных дефектов с учетом особенностей оптической системы и параметров цифрового преобразования изображения.
5. Разработаны телевизионно-пирометрический метод и
универсальный телевизионный модуль для измерения температуры нагретых объектов, реализующие принципы монохроматической пирометрии и спектральных отношений Экспериментально в режиме монохроматизации излучения получены численные значения относительной погрешности при измерении температур раскаленных поверхностей твердых объектов
Предложена новая модель телевизионного пирометра, позволяющая рассчитывать пирометрический сигнал с учетом параметров исследуемого объекта, среды, оптической системы и матричного фоточувсгвительного приемника
Разработан и экспериментально апробирован новый метод измерения яркостной температуры раскаленного объекта, позволяющий повысить точность измерения температуры, увеличить ресурс эталонного источника яркостной температуры (ЭИЯТ) и расширить функциональные возможности пирометра
Разработан телевизионно-пирометрический метод измерения температур с использованием полупроводникового ЭИЯТ Предложен вариант конструкции и исследованы характеристики двухцветного полупроводникового ЭИЯТ, имеющего малые габаритные размеры, высокое быстродействие и повышенный ресурс эксплуатации
Практическая ценность:
- предложены и реализованы варианты конструкций термостойких
телевизионных камер,
- разработаны методики получения с помощью лазерно-
телевизионной системы изображений дефектов поверхности раскаленных
объектов и измерения их геометрических характеристик,
разработаны алгоритмы и программное обеспечение, позволяющее по изображениям, полученным с помощью термостойких телевизионных зондов камер измерять геометрические размеры поверхностных дефектов и распределение температур,
предложена методика расчета распределения температур численным методом по изображению, полученному с помощью телевизионно-пирометрической системы,
разработан, реализован и исследован вариант конструкции малогабаритного двухцветного полупроводникового ЭИЯТ
Реализация в науке и технике.
Результаты диссертационной работы апробированы и внедрены в созданных ФГУП «НИИПТ «Растр» термостойких телевизионных системах УТН-7, УТН-12, ТСН-10, "Перископ-ТВ", "Перископ-1400",
"Зонд-1600", "Вулкан", "Пиротел", которые эксплуатируются более чем на 25 предприятиях России, Украины, Беларуси, Узбекистана
Кроме того, результаты диссертационной работы используются в НовГУ имени Ярослава Мудрого в лекционных курсах для студентов специальности «Проектирование и технология электронных средств»
Научные положения, выносимые на защиту
1 Методы спектральной фильтрации и ограничения потока
излучения, эвристической диагностики, термостатирования и пирометрии,
позволяют создать новый класс термостойких телевизионных зондов для
эксплуатации в диапазоне температур 800-1500С и формировать
телевизионные изображения объектов, осуществлять измерение их
температур и геометрических характеристик
2 Трассовый метод, основанный на зондировании раскаленной
поверхности объекта плоским лазерным лучом, с целью формирования
телевизионного изображения измерительного участка в виде трассы и
реализации алгоритмов цифровой обработки изображения, позволяет
осуществить визуализацию и измерение геометрических характеристик
поверхностных дефектов с точностью не ниже 5%
3 Метод измерения яркостной температуры раскаленного объекта,
основанный на сравнении яркостей исследуемого объекта и автоматически
управляемого эталонного источника яркостной температуры (ЭИЯТ),
позволяет повысить точность измерения температуры, увеличить ресурс
ЭИЯТ и расширить функциональные возможности пирометра
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались на двух международных конференциях (VI Междунар конф "Кристаллы рост, свойства, реальная структура, применение", Александров, 2003 г, Междунар научно-практическая конф "Рациональное использование природного газа в металлургии", Москва, 2003г ), на восьми Всероссийских конференциях ("Современное телевидение", Москва, 2002,2003,2004,2005,2006,2007 гт)
Публикации
По теме диссертации опубликованы 22 научные работы, из них 1 монография, 8 статей, 1 авторское свидетельство, 1 патент, тезисы к 11 докладам на международных и российских научно-технических конференциях, в т.ч 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК
Структура и объем диссертации
