Введение к работе
Актуальность темы. Развитие и совершенствование цифровых телевизионно-диагностических систем способствует широкому распространению в различных отраслях – машиностроении, металлургии, химическом, стекольном производстве – телевизионных методов визуализации объектов и процессов, отличающихся высокой чувствительностью, отсутствием инерционных погрешностей и влияния на объект исследования.
Промышленные телевизионные системы визуализации и наблюдения, обладающие химической стойкостью, представляют особую актуальность на производствах с экстремальными технологическими условиями с применением химически агрессивных веществ (в том числе, плавиковой кислоты), где пребывание человека-оператора сопряжено с известными для жизни опасностями. Существующий ограниченный перечень химически стойких телевизионных камер не включает в себя образцы, устойчивые, в частности, по отношению к плавиковой кислоте.
Создание телевизионных камер, устойчивых к воздействию паров плавиковой кислоты требует применения новых конструкционных материалов корпуса и входного окна. Особые перспективы в данном вопросе открывают наноматериалы.
Отдельного внимания требует задача предотвращения проникновения агрессивной внешней среды внутрь корпуса телевизионной камеры через стенки корпуса, неплотности и микроотверстия в стыках деталей, которая может решаться не только посредством повышения степени герметичности конструкции, но и подачей внутрь корпуса телевизионной камеры инертного газа под давлением.
Экстремальные условия эксплуатации химически стойкой телевизионной камеры порождают проблему удалённости наблюдений, то есть обеспечения канала связи. Канал связи может быть выполнен в беспроводном или проводном исполнении, предназначенном как для подачи электропитания и управления телевизионной камерой, так и для подачи внутрь корпуса инертного газа под давлением.
Применение современных фотоприемных устройств в составе телевизионного модуля позволяет получать изображения наблюдаемых процессов и явлений с высоким разрешением и цветопередачей, однако уровень и тип освещенности, различного рода искажения в оптическом канале значительно влияют на качество изображений и требуют разработки моделей и проведения соответствующих расчетов.
Задачи промышленных телевизионных систем также включают в себя измерение величин. [1,2] Среди подобных задач дистанционное измерение концентрации химических веществ, геометрических размеров различных объектов, в том числе, слоев – тепловых и гидродинамических, измерение температур, измерение скоростей потоков и т. п.
В рамках систем телевизионной визуализации объектов и процессов представляют интерес методы цифровой обработки телевизионных изображений и методы компьютерного моделирования исследуемых процессов, позволяющие повысить точность измерений, достоверность распознавания событий, а также спрогнозировать их развитие.
Целью данной диссертационной работы является разработка телевизионных методов визуализации объектов и процессов на основе химически стойкой телевизионной камеры для экстремальных условий эксплуатации.
Задачи диссертационной работы
-
Анализ принципов построения и характеристик, а также осуществление классификации существующих телевизионных фест-систем.
-
Разработка методов (научных основ) создания базовых конструкций телевизионных камер, обладающих повышенной химической стойкостью.
-
Разработка цифрового телевизионно-индикаторного метода визуализации объектов и процессов в газообразных средах с возможностью измерения концентрации веществ.
-
Разработка в рамках лазерно-телевизионной системы, визуализирующей оптические неоднородности по принципу деформации регулярного линейно- наклонного контраста, цифрового контурного метода для диагностики микрогетерогенных систем.
Методы исследования
При проведении экспериментальных исследований применялись методы:
Использовались математические методы расчета и статистической обработки экспериментальных данных с применением ЭВМ.
Научная новизна
-
С использованием оптического входного окна из наноматериала, обладающего химической, радиационной стойкостью и селективным коэффициентом пропускания (поглощения) света, проводных и беспроводных принципов организации канала связи и питания, методов и систем, обеспечивающих надежность конструкции в экстремальных условиях эксплуатации, разработан новый класс телевизионных камер, обладающих повышенной химической стойкостью, в том числе к парам плавиковой кислоты.
-
Разработан телевизионно-индикаторный метод, позволяющий осуществлять диагностику газообразных технологических сред с возможностью видеонаблюдения объектов и процессов. Экспериментально апробированы базовые алгоритмы цифровой обработки цветных изображений индикаторов для дистанционного определения концентрации агрессивных веществ.
-
Разработан и экспериментально апробирован цифровой телевизионно-теневой метод визуализации оптических неоднородностей по принципу деформации регулярного линейно-наклонного контраста для диагностики микрогетерогенных систем.
-
Впервые предложен и апробирован цифровой контурный метод, позволяющий частично автоматизировать процесс цифровой обработки телевизионного изображения деформированного теневого линейно-наклонного контраста и рассчитывать профиль толщин пограничного слоя.
-
Разработаны физические и оптико-геометрические модели телевизионных систем визуализации объектов и процессов в химически агрессивных средах, позволяющие оценивать телевизионный сигнал с учетом параметров исследуемого объекта, среды, оптической системы и матричного фоточувствительного приёмника.
Практическая ценность
Предложены и реализованы варианты конструкций химически стойких телевизионных камер.
Разработаны алгоритмы и программное обеспечение, позволяющее по изображениям, полученным с помощью телевизионных методов визуализации объектов и процессов в химически агрессивных средах, определять концентрации агрессивных веществ и рассчитывать профиль толщин пограничного слоя.
Предложена методика выполнения энергетического расчета телевизионной системы визуализации с лазерной подсветкой.
Научные положения
-
Методы, основанные на использовании легированного и нелегированного наноматериала, обладающего политипной самоорганизацией, проводных и беспроводных принципах организации канала связи и питания, систем создания и поддержания избыточного давления газа, позволяют создать новый класс телевизионных камер, обладающих повышенной химической стойкостью, в том числе к парам плавиковой кислоты.
-
Телевизионно-индикаторный метод, основанный на формирования цветного телевизионного изображения сенсора - индикатора, помещенного в химически агрессивную среду и реализации алгоритмов цифровой обработки изображения, позволяет осуществлять измерение концентрации агрессивного вещества с точностью не ниже 15% в помещениях с различной освещенностью.
-
Контурный метод, основанный на цифровых алгоритмах обработки телевизионного изображения деформированного теневого линейно-наклонного контраста, позволяет измерять профиль толщин пограничного слоя с точностью не ниже 5%.
Реализация в науке и технике
Результаты диссертационной работы апробированы и внедрены в ОАО «НИИПТ «Растр» в созданной химически стойкой телевизионной камере «КТП-322». Кроме того, результаты диссертационной работы используются в НовГУ им. Ярослава Мудрого в лекционных курсах и лабораторном практикуме для студентов специальности «Проектирование и технология электронных средств», «Микроэлектроника и твердотельная электроника».
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались на:
- международных научно-технических конференциях («Современное телевидение», Москва, 2007…2011 г.г.; «Телевидение: передача и обработка изображений», С-Пб, 2007, 2008 г.г.; «Проблемы проектирования и производства радиоэлектронных средств», Новополоцк, Беларусь, 2008 г.; «XXXV Гагаринские чтения», Москва, 2009 г.);
- всероссийских научно-технических конференциях («Модернизация региона – модернизация страны: поиск национальной модели», В. Новгород, 2007 (доклад занял I место по секции «Новые веяния в технике и технологии»); «VI Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых», С-Пб., 2009 г.; «Наука и образование в развитии промышленной, социальной и экономической сфер регионов России», Муром, 2010г.);
- «Научная конференция преподавателей, аспирантов и студентов НовГУ», В. Новгород, 2007 - 2011 г.г.);
- конкурсах («Городская выставка научно-технического творчества», 2007 г.: награждена дипломом «СПЕЦПРИЗ» в номинации «Радиоэлектроника»; победитель программы «У.М.Н.И.К.» за 2009/2010, 2010/2011 уч.г.; «Перспектива 2010»: I место в номинации «Радио-, вычислительная техника, электроника»).
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке программы “У.М.Н.И.К.”2009-2010г., “Перспектива 2010”, Министерства образования и науки РФ, проект 2.1.2/ 11324
Публикации
По теме диссертации опубликовано 28 научных работ, из которых 7 статей, в том числе, 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, тезисы к 19 докладам на международных и всероссийских научно-технических конференциях, 1 учебно-методическая работа, 1 патент РФ.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения.
