CC BY
14
УДК 621.397:531.717(088.8)
Балабаев С. Л.
Особенности построения пиротелевизионных измерительных
систем
Широкому распространению бесконтактных телевизионных методов контроля геометрических параметров объектов в трубном прокатнометаллургическом производстве препятствует низкая освещенность металлургических цехов, которая не позволяет получать телевизионные изображения объектов достаточно контрастными. Поэтому при разработке телевизионных устройств в большинстве случаев для повышения контрастности обрабатываемого изображения и, соответственно, отношения сигнал/шум приходится использовать внешние источники освещения, что приводит к дополнительному энергопотреблению.
В ряде случаев (например, при контроле размеров изделий в ходе технологического процесса прокатно-металлургического производства) измеряемый объект можно рассматривать как источник теплового излучения, большая часть которого приходится на инфракрасную область электромагнитных волн.
Расчеты, проведенные для стальной трубы, нагретой до температуры 8000 2 1200 С дали следующее распределение числа излучаемых в 1 сек с 1 м квантов
по спектральным диапазонам:
Таблица 1
Спектральный диапазон
Температура объекта 800 0С 1200 0С
1.5*1020 5.9*1021
1.2* 1022 1.1* 1023
4.7* 1022 2.1* 1023
1.1*1023 3.0*1023
видимый свет (0.4...1.1 мкм)
первая ИК область (1...2 мкм) вторая ИК область (2...3 мкм) третья ИК область (3...5 мкм)
Из табл.1 видно, что на диапазон видимого света приходится не более 1 % общего числа излучаемых квантов. Однако при оптимальном выборе фоточувствительной поверхности и времени наблюдения этого числа квантов оказывается достаточно для работы обычных телевизионных датчиков, в частности диссектора.
Выходной ток с центрального фотоэлемента равен
то
Л = {ЛБ / Н ) Еаб^атм^пропт/е „л( Т) т„() BАЧг(k)dk, (1)
0
где А и В - размеры участка трубы, соответствующие элементу разложения; H - высота подвеса телевизионной камеры; Eабс - максимальная монохроматическая чувствительность фотоприемника; Катм - коэффициент пропускания атмосферы; Кпр.опт - коэффициент пропускания приемной оптики; £изл (к, Г) - спектральный коэффициент теплового излучения серого тела; Еотн(к) - спектральная чувствительность фотоприемника; BАЧГ (к,Т) -спектральная плотность энергетической яркости абсолютно черного тела.
При использовании оксидно-сурьмяно-цезиевого катодов и многощелочного катодов ток на выходе при температуре 800 0С составляет соответственно 0.83 и 0.31 мкА, а при 1200 0С - 44.99 и 49.4 мкА. Указанные значения токов соответствуют времени наблюдения элемента 1 с, что неприемлемо для вещательного стандарта развертки, однако возможно при построении малокадровых прикладных ТВ систем.
Анализ особенностей движения прокатываемого изделия (средняя скорость примерно 1 м/с) показывает, что столь длительное наблюдение элемента разложения может привести к ошибке измерения около 1 м. В то же время при уменьшении времени наблюдения до 10 мс ( в 100 раз) точность также возрастет в 100 раз, однако во столько же раз уменьшится ток сигнала на выходе диссектора.
Особенностью диссектора является его способность работать как в токовом режиме, так и в режиме счета отдельных фотонов. Поэтому
представляется возможным построение пиротелевизионного измерителя, использующего часть теплового излучения, приходящуюся на диапазон видимого света.
Действительно, если максимальная температура стана составляет 400К, то появление на нем трубы со средней температурой нагрева 1300К сопровождается увеличением потока лучистой энергии почти в 100 раз. Возможно использование для контроля порогового обнаружителя, фиксирующего появление измеряемого объекта в некоторой точке, координата которой известна и определяется требуемой длиной трубы. В момент достижения передним краем измеряемого объекта этой фиксированной точки между началом отсчета и точкой контроля будет располагаться отрезок трубы требуемой длины. В случаях, когда измерению подлежит остаток трубы длиной меньше заданной, возможно быстрое сканирование ТВ датчиком отрезка между указанными точками до обнаружения передней кромки объекта. Если сканирование начато в момент прохождения задней кромкой объекта точки начала координат, то по координате точки, соответствующей передней кромке определяется остаточная длина.
Предложенный метод измерения обладает рядом преимуществ по сравнению с известными телевизионными. Во-первых, нет необходимости в внешней подсветке, что уменьшает энергопотребление. Во-вторых, при использовании цифрового развертывающего устройства возможно достижение высокой точности определения координат, и, соответственно, измерения длины. И, наконец, благодаря применению малокадрового стандарта развертки при отсутствии объекта возможно накапливание информации об освещенности фона и шумах с целью последующей корректировки порога обнаружения.
