CC BY
31
УДК 621.384
КОРРЕКЦИЯ НЕОДНОРОДНОСТИ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ ТЕПЛОВИЗИОННОГО КОНТРОЛЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
Н.К. АНДРЕЕВ*, Д.Р. ГАЛЕЕВ**
*Казанский государственный энергетический университет **ОАО «Красногорский завод им. С.А.Зверева»
Предложен микропроцессорный блок управления термоэлементами. Этот блок является частью узла калибровки тепловизора. Разработанный блок предназначен для точного задания и поддержания постоянства температуры термоэлементов в диапазоне от -50 до +50 С. Блок калибровки предназначен для корректирования неоднородности чувствительности устройства. Описаны математические аспекты неоднородности, принцип действия и функциональная схема блока. Согласно техническому заданию на разработанный блок и качество термограммы, после коррекции расхождение амплитуды сигналов от отдельных элементов не должно превышать 0,5-1,0 %.
Ключевые слова: тепловизионный прибор, блок управления теплоэлементами, фоточувствительный элемент, фотоприемное устройство.
Данная работа посвящена описанию разработанного и изготовленного микропроцессорного аналого-цифрового блока управления термоэлементами тепловизионного устройства контроля и программного обеспечения к этому блоку. Целью разработки является улучшение массо-габаритных и энергетических характеристик блока.
Тепловизионный контроль (ТК) в настоящее время широко используется в технической диагностике состояний объектов различного назначения по их тепловым изображениям (термограммам). Особенно важную роль в силу своей эффективности и своего диагностического потенциала ТК начинает играть в энергетике. Данный метод позволяет производить без остановки технологического процесса контроль теплового состояния энергетических объектов. Метод ТК позволяет выявлять дефекты на ранней стадии их развития, что способствует сокращению затрат на техническое обслуживание за счет прогнозирования сроков и объемов ремонтно-восстановительных работ.
Метод тепловизионного контроля основан на дистанционном измерении температур поверхностей зданий, сооружений, ограждающих конструкций, электрооборудования, электроустановок, между внутренними и наружными поверхностями которых создан перепад температур. При обработке результатов ТК производится вычисление относительных сопротивлений теплопередач участков конструкции, значения которых, наряду с температурой внутренней поверхности, принимают за показатели качества их теплозащитных свойств, состояния.
Тепловизионную диагностику зданий, сооружений, механизмов и электрооборудования проводят по приведенной на рис. 1 последовательности.
Появление и развитие многих дефектов сопровождается повышением температуры поверхности аппарата или какой-то его части, что может быть выявлено при проведении тепловизионного обследования. По принятым нормативам при тепловизионном контроле должны применяться тепловизоры с разрешающей способностью не хуже 0,1 град. и спектральным диапазоном 8-12 мкм.
© Н.А. Андреев, Д. Р. Галеев
Проблемы энергетики, 2009, № 1-2
Рис. 1. Последовательность проведения тепловизионной диагностики
Датчиками тепловизионных приборов служат фотоприемники, работающие в инфракрасной (ИК) области спектра. Все фотоприемники можно разделить на несколько типов в зависимости от видов детекторов, которые могут быть матричными, линейными и одноэлементными. При этом надо иметь в виду, что матричные системы обладают более низкой чувствительностью по сравнению с другими типами детекторов.
Тепловизоры с одним фоточувствительным элементом (ФЧЭ) в фотоприемнике не достигают той чувствительности, которая необходима для различных применений. Поэтому используются фотоприемные устройства (ФПУ) с многоэлементными линейками чувствительных элементов. Но при этом возникает ряд проблем. Одни проблемы связаны с неоднородностью параметров фоточувствительных элементов линейки. Другие имеют место при наличии дефекта хотя бы в одном из элементов линейки.
Данная работа посвящена описанию разработанного авторами аналого-цифрового микропроцессорного блока управления термоэлементами, входящего в узел калибровки. Корректирование неоднородности чувствительности (выравнивание геометрического шума) - основная функция узла калибровки для фотоприемников.
Причиной возникновения геометрического шума может быть разброс характеристик фоточувствительных элементов, элементов канала усиления и накопления фотосигнала, а также элементов канала управления. Вне зависимости от природы такой неоднородности напряжение на выходе секции накопления Гц (Т), соответствующее г, у'-му элементу, можно представить в виде
Ру (Т)= Бу Фт + Vу ,
(1)
где Б у - эффективная вольт-ваттная чувствительность элемента; Ф т - поток ИК-излучения при температуре сцены Т; VII - эффективное темновое напряжение
элемента. В идеальном случае при однородной засветке Ф т все значения ФЧЭ
Гу (Т) равны. Однако в действительности в значениях Гу (Т) наблюдается
разброс, среднеквадратичное значение которого, как правило, составляет несколько десятков процентов. Как можно видеть из изображения (1), указанная неоднородность определяется аддитивной Уу и мультипликативной Бу
составляющими напряжения на выходе секции.
Теория линейных преобразований дает корректный алгоритм пересчета неоднородного поля (ру (Т)) в однородное (Оу (Т)) без потери информационной
емкости исходного поля. Для этого необходимо измерить массивы значений Гу (Т) при двух температурах Т1 и Т2 , затем вычислить значения Гц (Т) для
произвольной температуры Т по следующей формуле:
г 1 Г(Т2)- Г(Т1)
О у = [у (Т) - Г у (Т1)]-2 1 + Г (Т1), (2)
Г у (Т2) - Г у (Т1)
—— I(Т1) —— IРу (Т2 ) ф
где г (Т1) =-, Г (Т2) =- - средние значения фотосигнала по
п п
массиву; п-число ФЧЭ. Из выражения (2) видно, что коррекция значений проводится в два этапа. На первом этапе из измеренных значений Гу (Т)
вычитается аддитивная составляющая Ау = Гц (Т1), на втором - нормируется
вольт-ваттная чувствительность путем умножения на мультипликативный коэффициент:
Г(Т2) - Г(Т1)
Му =-. (3)
Г у (Т2) - Гу (Т1)
Для получения качественного изображения неоднородность матрицы приемников не должна превышать 1-2 %. Поскольку технологически это весьма жесткое требование, обычная практика заключается в коррекции неоднородности при помощи электронных схем с использованием вышеприведенной методики.
Разработанный блок управления термоэлементами (БУТЭ) предназначен для формирования заданной температуры двух тепловых излучателей. Значения выходного напряжения фоточувствительных элементов, полученные в результате теплового излучения, исходящего от двух термоэлементов с различной температурой, используются в качестве опорных сигналов для коррекции чувствительности. Калибровка происходит по команде при выявлении разброса чувствительности ФЧЭ. Периодичность калибровки может составлять от 8,3 с до 1 часа. Калибровка может производиться периодически или по прерываниям. Электронные схемы блока и программы, прошитые в Р1а«Ь-ПЗУ, позволяют проводить в реальном масштабе времени коррекцию неоднородности коэффициентов преобразования элементов линейки тепловизионной системы.
БУТЭ является основной частью узла калибровки. Блок предназначен для точного задания температуры термоэлементов и подержания постоянства заданной температуры в диапазоне от -50°С до +50°С. Шаг градаций температуры составляет 0,5°С. Постоянство заданной температуры обеспечивается
пропорциональным регулятором. Основным элементом данного блока является программируемый микроконтроллер ЛУИ ATmega128, в котором реализован пропорциональный регулятор. Функциональная схема БУТЭ оказана на рис. 2.
и
стабилизатор тока
код пжщт/ры Ш сигн&Ъ1 и стРсбь1 термоэлемент
МСУ
строб зоныы
МК
преобразователь в дву-полярное
калибро-ваный источник излучения
'силитель на базе ОУ
усилитель на базе О! '
и
стабилизатор тока
Рис. 2. Функциональная схема БУТЭ
Принцип работы БУТЭ заключается в следующем. Модуль сопряжения и управления (МСУ) выдает значения температуры и строб зоны, с помощью которого определяется, к какому из термоэлементов относится заданная температура. Микроконтроллер (МК) данную информацию обрабатывает и выдает широтно-импульсные модулируемые (ШИМ) сигналы и стробы для каждого термоэлемента. Преобразователь напряжения, получив данные сигналы, обеспечивает выдачу двуполярного напряжения с изменяемым уровнем. Причем уровень напряжения меняется в зависимости от скважности ШИМ-сигнала. Скважность ШИМ-сигнала определяется программно и вычисляется по формуле
т
^ —, (4)
Т
где Т - период следования импульсов, с; т - длительность одного импульса, с.
Получившееся напряжение с выхода преобразователя подается на термоэлемент Пельтье, который нагревается или охлаждается и таким образом задает необходимую температуру калиброванного источника излучения. Температура термоэлементов задается независимо друг от друга. Значение температуры калиброванного источника излучения измеряется с помощью цепи обратной связи, которая включает в себя терморезистор, стабилизатор тока и усилитель. Сопротивление терморезистора определяется температурой калиброванного источника излучения. В результате при изменении температуры источника излучения будет изменяться сопротивление терморезистора и, следовательно, ток цепи обратной связи. Но, так как стабилизатор тока обеспечивает постоянство тока, то будет изменяться лишь напряжение на терморезисторе, которое пропорционально зависит от температуры источника излучения. Напряжение с выхода усилителя в цепи обратной связи подается на
МК. МК, в свою очередь, изменяет скважность ШИ-сигнала, поддерживая температуру на заданном значении.
Существенным отличием разработанного БУТЭ от аналоговых блоков является наличие ШИМ-регулирования напряжения на термоэлементах, что позволило повысить КПД источника питания. Кроме того, за счет отказа от использования аналогового преобразования напряжения и перехода к ключевым режимам снижены массо-габаритные показатели. Ожидается, что комплекс технических мероприятий по модернизации тепловизионного прибора позволит ослабить влияние неоднородности параметров фоточувствительных элементов на изображении до значения 0,5-1,0 %, что соответствует уровню электронных шумов преобразования и обеспечивает значительное улучшение качества термограмм.
Summary
The microprocessor unit of the control of thermoelements is offered. This unit is a part of the block of calibration of the thermal imaging device. The aim of the block is exact maintaining of a given temperature of the thermoelements at a range lying from -50 to +50 °C. The calibration block is intended for nonuniformity correction of the sensors of the device. Mathematical aspects of the nonuniformity, principles of the function and the structure chart are described. According to the technical project on the block and quality of thermograms, after correction a divergence of the signal amplitudes from separate elements should not exceed 0,5-1,0 %.
Литература
1. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Тенденции развития инфракрасных систем "смотрящего" типа // Специальная техника. 2004. №1. С. 24-37.
2. Филачев А.М., Пономаренко В.П., Таубкин И.И., Ушакова М.Б. Инфракрасные матрицы и тенденции их развития: Труды XVIII международной конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения. М., 2004.
3. Певцов Е.Ф. Матричные ИК приемники и портативные системы визуализации инфракрасного излучения: Труды XVIII международной конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения. М., 2004.
Поступила в редакцию 19 мая 2008 г.
Андреев Николай Кузьмич - д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Электропривод и автоматизация промышленных установок и технологических комплексов» (ЭПА) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел. 8 (843) 279-99-12.
Галеев Дамир Раисович - аспирант кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок и технологических комплексов» (ЭПА) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел. 8 (843) 511-67-28; 8-904-7605841. Е-шаИ: Gdr-35@ramb1er.ru.
