CC BY
86
ВЕСТНИК ЮГОРСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА
2012 г. Выпуск 2 (25). С. 59-63
УДК 621.7
КОМПЛЕКС АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ КАЛИБРОВКИ ТЕПЛОВИЗИОННОЙ СИСТЕМЫ НА БАЗЕ МАТЬАБ
А. В. Долматов, К. А. Ермаков, В. В. Лавриков, А. О. Маковеев
Введение
Актуальной задачей в области конструирования новых наноструктурированных материалов является изучение структурной макрокинетики самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) интерметаллидов и пористой проницаемой металлокерамики [1-3]. Волна синтеза, перемещающаяся по шихте из мелкодисперсных порошковых материалов, характеризуется температурой от 1200 до 2800°С, что позволяет использовать методы оптической пирометрии для изучения процессов выделения и передачи тепла в ходе струк-турообразования конечного продукта [4, 5].
Специализированные скоростные видеокамеры с фоточувствительной матрицей из ПЗС-элементов способны регистрировать изображения с временным разрешением до 1 мкс/кадр. Применение подобных камер для построения тепловизионных измерительных систем, работающих по принципу яркостной пирометрии, возможно, если спектр регистрируемого излучения ограничен узкой полосой, и при фиксированных параметрах электронно-оптического тракта множество уровней видеосигнала сопоставлено с множеством температур образцового объекта теплового излучения, т. е. выполнена калибровка тепловизионной системы [6-9].
Яркостные пирометры весьма чувствительны к изменениям в электронно-оптическом тракте и требуют регулярной рекалибровки в ходе эксплуатации в экспериментальной установке. Автоматизация методики калибровки значительно способствует увеличению точности измерения температуры и уменьшению периода подготовки экспериментальной установки к работе [10-12].
Целью работы явилась разработка программно-аппаратного комплекса автоматизированной калибровки тепловизионной системы на основе высокоскоростной цифровой камеры «ВидеоСпринт».
Экспериментальная установка
Для исследования пространственной динамики процесса СВС применяется экспериментальная установка (см. рис. 1, а), состоящая из микроскопа МБС-10 с горизонтально направленной оптической осью объектива (1), системы высокоскоростной видеосъемки «ВидеоСпринт» (2), компьютера с контроллером УБ-2001 для приема и сохранения цифрового видеосигнала. Шихта (4) из металлических порошков N и А1 дисперсностью 10-100 мкм засыпается в кварцевую трубку (3), которая располагается вертикально в фокальной плоскости микроскопа (1). Процесс синтеза инициируется сверху с помощью сильно экзотермической реакции горения диборида титана в атмосфере воздуха. Дальнейшее распространение процесса поддерживается теплом, выделяющимся в ходе образования продуктов реакции. Микроскоп (1) позволяет наблюдать на поверхности шихты площадку размером 5 х 7 мм. При этом система «ВидеоСпринт» (2) регистрирует теплофизический процесс с разрешением 5,5 мкм на пиксел и периодом съемки от 200 до 500 мкс. Диапазон экспозиции может задаваться в пределах от 2 до 200 мкс.
В процессе эксплуатация тепловизионной системы «микроскоп + ВидеоСпринт» можно выделить несколько этапов. При подготовке эксперимента производится оптимизация параметров системы с целью получения максимального динамического диапазона видеосигнала об изучаемом явлении. На следующем этапе осуществляется калибровка тепловизионной системы при фиксированных параметрах ее электронно-оптического тракта. После этого
система «микроскоп + ВидеоСпринт» может быть использована для исследования пространственной динамики тепловых и структурных процессов в волне синтеза материала (рис. 2).
Состав автоматизированного комплекса калибровки
Для автоматизации процесса калибровки тепловизионной системы со скоростной цифровой камерой «ВидеоСпринт» авторами предложен программно-аппаратный комплекс на базе пакета компьютерной обработки МЛТЬЛБ. Выбор данной платформы обусловлен функциональными возможностями пакета в области обработки многомерных сигналов. Кроме того, МЛТЬЛБ имеет мощные механизмы интеграции уникальных программных модулей, что упрощает организацию его взаимодействия с информационно-измерительными системами и способствует адаптации пакета к работе в конкретной предметной области.
Аппаратный состав калибровочного комплекса приведен на рисунке 1, б.
Рисунок 1. Экспериментальная установка: а - для изучения процесса СВ-синтеза (1 - микроскоп МБС-10; 2 - система «ВидеоСпринт»; 3 - кварцевая трубка; 4 - шихта М и А1);
б - для калибровки тепловизионной системы «ВидеоСпринт»
(1 - микроскоп МБС-10; 2 - система «ВидеоСпринт»; 3 - температурная лампа ТРУ 1100-2350;
4 - программируемый источник тока Р8И-2035)
В качестве температурного эталона используется лампа ТРУ-1100-2350 с известной зависимостью яркостной температуры от тока, протекающего по ее вольфрамовой ленте. Лампа помещается в фокальную плоскость объектива микроскопа (1) вместо образца шихты, что позволяет минимизировать изменения экспериментальной установки. Калибровка заключается в сопоставлении уровней видеосигнала тепловизионной системы при фиксированных параметрах электронно-оптического тракта (увеличение микроскопа, усиление и смещение видеосигнала, экспозиции) с эталонными уровнями тока вольфрамовой ленты лампы.
а б в г
Рисунок 2. Тепловизионная съемка процесса СВ-синтеза пористой металлокерамики (процесс развивается от кадра а к кадру г; время экспозиции составляет 150 мкс; частота съемки 2500 кадров в секунду; пространственное разрешение 10 мкм на пиксел)
В качестве источника тока применяется прибор PSH-2035, управление которым возможно через коммуникационный порт COM с помощью набора мнемонических команд. Прибор PSH-2035 в операционной системе Windows ассоциируется с файлом, которым можно манипулировать, используя стандартные функции. В MATLAB достаточно открыть файл с именем COM-порта, к которому подсоединен источник тока, и выполняя запись в файл командой fprintf передавать в PSH-2035 требуемую команду управления, или, выполняя чтение из файла командой fscanf, узнавать действующие значения тока и напряжения в выходной цепи прибора.
Программное обеспечение комплекса калибровки
Программная часть комплекса калибровки реализована в виде сценария MATLAB, который позволяет последовательно получать термодинамически квазиравновесные токи, протекающие по образцовой лампе. Регулировка тока осуществляется в три этапа посредством управления выходным напряжением прибора PSH-2035. На первом этапе производится грубая настройка тока с быстрым переходом от одного эталонного уровня к другому. Первый этап оканчивается после небольшого превышения текущим током требуемого уровня. На втором этапе осуществляется плавное снижение тока до эталонного уровня с погрешностью
0.02 А. На третьем этапе выполняется тонкая подстройка напряжения с увеличивающейся временной задержкой, которая позволяет стабилизировать ток через температурную лампу на эталонном уровне. Уровни эталонных токов температурной лампы видны на рис. 3 в виде горизонтальных полочек графика.
Динамика тока лампы ТРУ-1100-2350 в процессе калибровки
24
22 20 18
<16
"Э
14 12 10
80 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
t, с
Рисунок 3. Динамика тока образцовой температурной лампы ТРУ-1100-2350 в процессе калибровки тепловизионной системы
После достижения квазиравновесного тока через вольфрамовую ленту лампы ТРУ-11002350 сценарий MATLAB запускает систему «ВидеоСпринт», которая регистрирует серию кадров светящейся вольфрамовой ленты температурной лампы.
Для доступа к управлению системой «ВидеоСпринт» из среды MATLAB использовалась технология mex-функций. Она позволила инкапсулировать функции стандартного драйвера «ВидеоСпринт» в виде класса объектов vsFast. Методы Capture и Read объекта данного класса, возвращают серию зарегистрированных кадров.
Обработка каждой серии изображений вольфрамовой ленты проводится с использованием возможностей MATLAB в области математической статистики. Сначала производится поиск области снимков, содержащей изображение эталонной зоны вольфрамовой ленты. Далее выполняется усреднение видеосигнала по выбранной области для каждого кадра серии, а затем
определяется его среднее значение по всем снимкам серии. При этом также рассчитывается дисперсия видеосигнала с целью оценки относительной погрешности измерения температуры.
По окончании обработки серии снимков осуществляется переход к следующему уровню тока образцовой температурной лампы. В результате калибровки тепловизионной системы по образцовой температурной лампе ТРУ-1100-2350 формируется массив реперных точек в системе координат «относительный уровень видеосигнала» - «яркостная температура».
На завершающем этапе калибровки из массива реперных точек отбрасываются такие, которые лежат в области нечувствительности и насыщения системы «ВидеоСпринт», а также точки с относительной погрешностью видеосигнала более 20 %. Оставшиеся точки используются для аппроксимации зависимости температуры наблюдаемого объекта от уровня видеосигнала, зафиксированного тепловизионной системой.
Введение в алгоритм калибровки в качестве контролируемого фактора экспозиции камеры «ВидеоСпринт» позволило существенно расширить диапазон измеряемых температур и построить пространство состояний (рис. 4) тепловизионной системы. На основе данных калибровки определена относительная погрешность для каждой точки пространства состояний.
Синтезированное пространство состояний тепловизионной системы
3500 3000 2500
*
2000 1500 1000 500
Относительная яркость 14
Рисунок 4. Синтезированное пространство состояний тепловизионной системы (С = 2 мкс; увеличение микроскопа - х4; усиление видеосигнала - 96; уровень «черного» - 77)
Заключение
В итоге проделанной нами работы построен программно-аппаратный комплекс, который позволил полностью автоматизировать цикл калибровки тепловизионной системы на базе камере «ВидеоСпринт». Он позволяет оперативно производить калибровку тепловизионной системы при внесении изменений в ее оптический канал или в параметры электронноизмерительного тракта. Средняя длительность цикла калибровки составляет около 15 минут. Относительная погрешность тепловизионной системы уменьшается с ростом уровня видеосигнала и становится менее 5 % при относительном уровне видеосигнала более 30 %. Пространство состояний тепловизионной системы способствуют решению задачи оптимизации параметров камеры «ВидеоСпринт» во время экспресс-диагностики СВ-синтеза нанострук-турированных материалов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Мержанов, А. Г. Твердопламенное горение [Текст] / А. Г. Мержанов. - Черноголовка :
ИСМАН, 2000. - 224 с.
2. Evstigneyev, V. V. A New procedure of high-rate brightness pyrometry for studying the SHS processes [Text] / V. V. Evstigneyev, P. Yu. Gulyayev, A. B. Mukhachev, D. A. Garkol // Combustion, Explosion, and Shock Waves. - 1994. - Т. 30. - № 1. - С. 72-74.
3. Гуляев, П. Ю. Моделирование фрактальных структур упаковок порошковых материалов [Текст] / П. Ю. Гуляев, А. В. Долматов, И. В. Милюкова, А. Л. Трифонов, С. А. Ширяев // Ползуновский альманах, 2007, № 3. - С. 39-41.
4. Засименко, В. М. Методы и средства оптической пирометрии [Текст] / В. М. Засименко,
В. И. Лах, Г. П. Самченко, С. П. Фуртак. - М. : Наука, 1983. - С. 43.
5. Гуляев, П. Ю. Байесовский подход в интегральных методах оптического контроля параметров реакции СВС и топливных струй [Текст] / П. Ю. Гуляев, А. В. Долматов // Сборник научных трудов «Самораспространяющийся высокотемпературный синтез : материалы и технологии». - М. : Наука, 2001. - 284 с.
6. Гуляев, П. Ю. Диагностика распределения температуры и скорости напыляемого порошка в импульсном плазменном потоке [Текст] / П. Ю. Гуляев, А. В. Долматов // Известие ВУЗов. Физика. - 2007, № 3. - Приложение. - С. 114-117.
7. Гуляев, П. Ю. Виртуальные приборы оптической диагностики плазменных потоков [Текст] / П. Ю. Гуляев, А. В. Долматов // Ползуновский альманах, 2007, № 3. - С. 5-7.
8. Гуляев, П. Ю. Методы оптической диагностики частиц в высокотемпературных потоках [Текст] / П. Ю. Гуляев, А. В. Долматов, В. А. Попов, Г. Н. Леонов // Ползуновский вестник, 2012, № 2/1. - С. 4-7.
9. Гуляев, П. Ю. Моделирование технологических процессов плазменного напыления на-норазмерной толщины [Текст] / П. Ю. Гуляев, И. П. Гуляев // Системы управления и информационные технологии. - 2009, № 1.1 (35), С. 144-148.
10. Гуляев, П. Ю. Автоматизация контроля теплофизических параметров в технологиях детонационного напыления [Текст] / П. Ю. Гуляев, А. В. Долматов // Системы управления и информационные технологии, 2009, № 1.2(35). - С. 230-233.
11. Гуляев, П. Ю. Физические принципы диагностики в технологиях плазменного напыления [Текст] / П. Ю. Гуляев, А. В. Долматов // Известия Самарского научного центра Российской академии наук, 2009. Т. 11. - № 5-2. - С. 382-385.
12. Гуляев, П. Ю. Диагностика распределения частиц по температурам в технологии плазменного напыления [Текст] / П. Ю. Гуляев, А. В. Долматов, М. П. Бороненко // Ползу-новский альманах, 2010. - № 2. - С. 71-73.
