CC BY
16
МА ТЕМА ТИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МАШИН, КОМПЛЕКСОВ И КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ
УДК 004.312
ПРОГРАММНО-АППАРАТНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ МОДУЛЯ КОНТРОЛЯ РАЗРЕШЕНИЯ ТЕПЛОВИЗИОННЫХ СИСТЕМ НАБЛЮДЕНИЯ ПО КОНТРАСТУ
Т. А. Акименко, Е.В. Филиппова
Рассматриваются вопросы контроля режимов работы тепловизионных систем наблюдения, теоретические основы работы средств контроля, описывается способ контроля разрешения по контрасту в качестве одного из модулей многофункционального устройства контроля систем, работающих в инфракрасном диапазоне.
Ключевые слова: тепловизионная система наблюдения, тест-объект, тепловое излучение.
Современный этап развития технических средств анализа и визуализации данных, получаемых с инфракрасных датчиков, характеризуется существенным ростом объемов данных, получаемых при анализе объектов с сенсоров, а также стремлением извлечь из полученных данных максимум достоверной информации, используемой при принятии решений. Большую часть нагрузки при принятии решений в настоящее время стремятся переложить на ЭВМ.
Важным фактором являются рыночные отношения, основанные на жесткой конкуренции на рынке оборудования. Они приводят к необходимости существенного сокращения сроков обновления технических средств и обслуживающего их программного обеспечения. Обеспечение сокращения сроков обновления технических устройств и их программного обеспечения возможно лишь при введении в процесс разработки этапа тестирования устройств в условиях, максимально приближенным к реальным.
Актуальной задачей является создание комплексного устройства тестирования тепловизионных систем наблюдения на основе модулей известных прототипов, с внесением изменений в известные структуры, обеспечивающих удовлетворительное функционирование устройства тестирования при работе, а также обеспечивающее максимально возможное количество тестируемых характеристик тепловизионных систем.
267
Создание устройства тестирования тепловизионных систем основано на управлении тепловым излучением. Для осуществления указанного управления целесообразно использовать теоретические положения совокупности теорий, характеризующих излучение в инфракрасном диапазоне.
Так, один из модулей устройства тестирования тепловизионных систем по контрасту представляет собой ИК (тепловой) излучатель, выполненный в виде двух изолированных друг от друга излучающих элементов. При проведении испытаний и процедурах контроля тепловизионных систем управляющими воздействиями температуры излучающих элементов устройства устанавливают в соответствии с необходимыми.
Протекание теплового процесса в любой точке излучающих элементов в любой момент времени характеризует дифференциальное уравнение теплопроводности Фурье. Для изотропного тела с источником тепла, распределено в теле произвольно и теплофизическими параметрами, зависящими от температуры, в декартовой системе координат оно имеет вид
дх
г
1+А
Г dt 1
. .. l— дх) ду \ ду
Э
+—
dz
с
dt 1 dt
Izr = c гдг' (1)
где t=t(x,y,z, t) - температура в точке (x,y,z) в момент времени t; 1 = 1(t) - коэффициент теплопроводности тела; с = c(t) - удельная теплоемкость тела, Дж/(кг оС); g - плотность тела, кг/м3; W - удельная объемная мощность источников энергии.
На температуру перегрева влияют два фактора, поддающиеся корректировке в процессе функционирования теплового тест-объекта. Это напряжение электрического тока U и коэффициент теплоотдачи a.
Напряжение является легко варьируемым параметром и может быть задано в зависимости от требуемой температуры поверхности. Коэффициент теплоотдачи является функцией многих переменных, и, следовательно, необходимо проведение исследования с целью изыскания закономерностей, позволяющих варьировать и этот параметр.
Важным является последействие излучающих элементов, которое находится во взаимосвязи с коэффициентом теплоотдачи, поэтому существенны вопросы управления коэффициентом теплоотдачи, для решения которых необходимо проведение исследования процесса охлаждения при вынужденной конвекции, как наиболее распространенного способа увеличения коэффициента теплоотдачи.
Оптимальным, легко варьируемым параметром является стационарная температура перегрева ист = tраб. Таким образом, увеличение скорости повышения температуры излучающих элементов легко добиться путем повышения мощности, поступающей в излучающий элемент.
Значение скорости воздушного потока позволяет определить коэффициент конвективной теплоотдачи в условиях вынужденной конвекции. Из формулы (2), следует, что влияние принудительного охлаждения выра-
жается как в изменении характерного размера (с диаметра на длину), так и в изменении критерия Нуссельта, который принимает форму
/ъ Л 0.25
/ Рг, ^ (2)
0 . 5 Т> - 0 . 43
Nu = 0.66Re Pr
_f . Pr
Интенсивность теплового излучения зависит от температуры поверхностей излучателей, следовательно, для решения задачи стабилизации и варьирования интенсивности излучения, требуется определить зависимость, характеризующую поле температур поверхности излучателя.
В статическом режиме происходит нарушение теплового баланса излучающих элементов, т.е. их температуры начинают значительно превышать требуемые. Возникает необходимость обеспечить как высокую скорость повышения температуры излучающих элементов, так и их корректную работу в стационарном режиме.
Решением является использование средств контроля термического состояния тепловых излучателей - датчиков температуры, управляющих интенсивностью непрерывного потока поступающей энергии в виде блока управления, а также использование импульсной подачи энергии с применением широтно-импульсной модуляции (ШИМ) управляющих воздействий.
Как известно, ШИМ (англ. P-pulse, W-width, M-modulation) - это способ управления подачей мощности к нагрузке. Управление заключается в изменении длительности импульса при постоянной частоте следования импульсов. Применение широтно-импульсной модуляции позволяет повысить КПД.
Для формирования сигнала управления в автоматической системе поддержания установленных температур излучателей необходимо достичь высоких требований к качеству и точности переходных процессов. Использование ПИД (англ. P-proportional, I-integral, D-derivative) - регулятора позволяет достичь заявленных требований.
ПИД-регулятор (рис. 1) - устройство, применяемое в контурах управления, оснащенных звеном обратной связи.
Рис. 1. ПИД - регулятор
Простейшая система автоматического регулирования с обратной
связью
и(0 = Кв(1) +1 )йг + Т^, (3)
Т 0 м
где / - время; К - пропорциональный коэффициент (безразмерный); Тг - постоянная интегрирования (размерность времени); Тй - постоянная дифференцирования (размерность времени).
269
Следует подчеркнуть, что входом объекта управления является выход регулятора, т.е. величина и имеет ту же размерность, что и рассогласование е, выходная величина у и установка г. Если объект управляется ШИМ - регулятором, управляющей величиной является и, а в модель объекта управления Р следует ввести преобразователь величины и в ширину импульса ШИМ - регулятора. Таким воздействием во всех случаях должна быть величина и (выходная величина регулятора).
Используя преобразование Лапласа при нулевых начальных условиях и(0)=0, выражение (3) можно представить в операторной форме:
u(s)
Г 1 1
K + — + Tds
Tts )
e(s). (4)
Таким образом, передаточная функция ПИД-регулятора имеет вид
ад = K++Tds = K Ts
f 1 T \
1 + — + LTLs KTs K
(5)
Управление устройством тестирования тепловизионных систем по контрасту осуществляется микроконтроллером AVR (8-bit RISC microcontroller ATmega8 (8 MHz)).
Программная часть управления устройством тестирования теплови-зионных систем по контрасту написана на языке С++ и предназначена для проведения экспериментов и получения достаточно стабильного во времени температурного режима излучающих элементов тепловой картины.
Расчетный модуль программы позволяет определить температуру элементов тепловой картины, требуемые мощности каналов для стабильного поддержания заданных температур излучающих элементов тепловой картины.
Установка температур излучающих элементов устройства осуществляется при помощи инкрементального энкодера, работа которого приведена на рис. 2.
OLED~PRjNT[~Pi6eTa:"| (meimib з—D):, 0,0);
ОЬШ~РЕЕЧТС^ггчик ГОР:". (т=пиРе=^1): 3,0),
Рис. 2. Установка температур излучающих элементов
Для отображения готовности устройства к работе и задания необходимых параметров использован компактный oled-дисплей 0.91''
270
Задача установки и поддержания температур излучающих элементов тепловой картины блоком управления решена использованием пропорционально-интегрально-дифференцирующего регулятора для каждого из элементов тепловой картины, программная реализация которого представлена на рис. 3.
. calculate (ГID regulator)
/нет
if (tl<setl) {
Iine0_pwm = (setl-tl)*l J-2Q; if (,1ше0_рл-т>;35)
Iine0_p5vm=2i3;
}
else {
if(<tl-setl)<5)
lineO_p.vm=lf;
else
lined рлтаО.
}
..COLD if (t2>set2) <
iinel_psvm = (й-stO* 30 + 30; if
linel j*vm=255;
>
elte
Iiiiilj?vm=jO;
Рис. 3. Программная реализация ПИД-регулятора
Предложенный способ позволяет расширить технические возможности устройств тестирования тепловизионных приборов, в частности, путем тестирования разрешения тепловизионных приборов по контрасту, имея при этом достаточно простое программно-аппаратное решение.
Список литературы
1. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2019661213. Программный модуль управления устройством разрешения тепловизоров по контрасту. Акименко Т. А., Филиппов А.Е., Филиппова Е.В. ТулГУ, 2019.
2. Патент на полезную модель № RU191285U1. Устройство тестирования разрешения тепловизоров по контрасту. Акименко Т. А., Ларкин Е.В., Лучанский О.А., Филиппова Е.В. ТулГУ, 2019.
3. Патент на полезную модель №176316. Тест-объект для измерения разрешения тепловизоров. Ларкин Е.В., Акименко Т.А., Филиппова Е.В. ТулГУ, 2018.
4. Акименко Т. А., Филиппова Е.В. Тест-объект для контроля параметров тепловизоров // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2018. Вып. 12. С. 308 - 311.
5. Филиппова Е.В. Тепловой тест-объект для оценки тепловизион-ных систем // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2017. Вып. 9. Ч. 1. С. 199 - 203.
271
6. ГОСТ Р 8.619-2006. Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ). Приборы тепловизионные измерительные. Методика поверки. М.: Стандартинформ, 2006. С. 16.
7. Akimenko T., Filippova E. Computer Modeling of Control the Thermal Imaging System Surveillance. In: Dimov I., Farago I., Vulkov L. (eds) Finite Difference Methods. Theory and Applications. FDM 2018. Lecture Notes in Computer Science, vol 11386. Springer, Cham, 2019. P. 129-136. DOI 10.1007/978-3-030-11539-5 12.
8. Филиппова Е.В., Акименко Т.А., Лучанский О.А. Способ тестирования разрешения тепловизоров по контрасту // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2019. Вып. 10. С.400 - 404.
Филиппова Екатерина Вячеславовна, лаборант, kisskiri a hk.ru Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Акименко Татьяна Алексеевна, канд. техн. наук, доцент, tаntan72amail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
IMPLEMENTATION OF THE CONTROL MODULE SOFTWARE THERMAL SURVEILLANCE SYSTEMS PERMISSIONS ON CONTRAST
E. V. Philippova, T.A. Akimenko
The article is devoted to monitoring the operating modes of thermal imaging observation systems, the theoretical foundations of the operation of monitoring tools, a method for monitoring the resolution of contrast as one of the modules of a multifunctional control device for systems operating in the infrared range.
Key words - thermal imaging observation system, test object, thermal radiation.
Filippova Ekaterina Vyacheslavovna, laboratory assistant, kisskina hk.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Akimenko Tatiana Alekseevna, candidate of technical sciences, docent, tantan 72a mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
