CC BY
34
4V. м’
Рис. 2. Абсолютная погрешность измерения объема жидких продуктов
ческие указания/Всесоюзный НИИР; Научный руко-вод. темы Б.Г. Хусаинов.-МИ 1823-87. - Казань, 1987.-71 с.
4. Тимошенко С.П., Войновский-Кригер С. Пластинки и оболочки. - М.: Наука, 1966. - 635 с.
5. Колкунов Н.В. Основы расчета упругих оболочек. -М.: Высшая школа, 1972. - 296 с.
6. Канторович З.Б. Основы расчета химических машин и аппаратов. - М.: Машгиз, 1960. - 743 с.
7. Горбунов-Посадов М.И., Маликова Т.А., Соломин В.И. Расчет конструкций на упругом основании. -М.: Стройиздат, 1984. - 679 с.
Литература
1. Межирицкий Л.М. Оператор нефтебазы. - М.: Недра, 1976 - 240 с.
2. Конструкции строительные стальные для резервуаров вертикальных, цилиндрических для нефти и нефтепродуктов объемов от 100 до 50000 м3: Технические условия ТУ - 36.26.11.-4-89/ Министерство монтажных и специальных строительных работ СССР, 1989.-61 с.
3. Вместимость стальных вертикальных цилиндрических резервуаров. Методика выполнения измерений геометрическими и объемными методами: Методи-
ТАРИРОВКА ТЕРМОИНДИКАТОРОВ С УЧЕТОМ ТЕПЛОВЫХ
ПОТОКОВ
А.А ЗАХАРОВ, ст. преподаватель кафедры физики МГУЛа
Холестерические жидкие кристаллы
(ЖК), благодаря свойству менять свой цвет от красного до синего при нагревании, успешно применяются для измерения температуры поверхности [1]. При этом используется лишь один канал информации о цвете - собственно цвет (hue), в то время как каналы насыщенности (saturation) и яркости (brightness) игнорируются исследователями. Несут ли они на самом деле дополнительную информацию о тепловом процессе?
Приведём формулы преобразования исходных значений цветовых характеристик каждого пиксела полноцветного компьютер-
ного изображения (TrueColor) - R (красный), G (зелёный), В (синий) в перцептуальные характеристики отображения цвета. Ниже дан алгоритм для расчёта цветового гона -hue- здесь он обозначен «Я» (впервые опубликовано в [2]):
Если G ¿В {
Z= [(2R -G- B)/(G - B)]N 3;
При G > В Н - (90,0 - arctan (Z))- 255/360;
при G < В Н - (270,0 - arctan (Z))- 255/360;
}
если G = В {
при R<GH = 127; при R > G Н = 0;
}•
Насыщенность S представляет собой долю чистого цвета (т.е. без белого), отнесенную к полной интенсивности:
S = [I - min (R, G, ВЩ- 255, где интенсивность
I=(R + G + B)I3.
Автором также выявлено значение ещё одной характеристики brightness (Вг) - яркости, как она трактуется в CorelDraw и других общеизвестных программах рисования:
В г — max (R, G, В).
Действие ЖК основано на явлении дифракционного отражения световой волны
определённой длины от разных слоёв органических молекул по правилу Вульфа-Брегга:
2с1■ $'т<р — к■ А, где А - длина отраженной волны, а й — расстояние между соседними планарными слоями ЖК. Именно последнее и подвержено температурному изменению, превращая ЖК в чувствительный элемент. При этом отражается свет не строго одной длины волны, а достаточно широкого диапазона [3], и эта немонохроматичность при съёмке неспектральными приборами (спектральный подход освещён в [4]) даёт модуляцию канала насыщенности.
Предположения и наблюдения
г-
ы-
%
Рис.1. Снимки (ретушированы для публикации) ЖК-изображения струи, падающей нормально на плоскость. Справа- канал hue - используется для определения температуры, слева - канал насыщенности цвета (saturation) - пока не используется
Можно предположить, что при наличии градиента температуры поперёк слоёв межслойное расстояние будет монотонно меняться от слоя к слою, и соответственно, в отражённом свете увеличиваться степень немонохроматичности ДА, что на изображении должно сказаться в виде уменьшения насыщенности. Подтверждает это предположение наблюдение автором поведения слоя ЖК на нагреваемом объекте: в начале прогрева цветная картина, характеризующая температуру, является тусклой, и лишь через несколько секунд получает максимальную насыщенность.
Интересен анализ изображений, которые получены для воздушной струи, набегающей на нагретую пластину (рис. 1, 2). Здесь видно, что картина насыщенности (на рис.2 дан вариант канала 0,5 S + 0,5 Вг, на рис. 1 - соответственно S и Н с выделением рельефа и с тенью для наглядности) имеет какую-то регулярную структуру. На графике (рис. 3) выведены радиальные зависимости этих величин. Виден максимум насыщенности, в то время как hue (и температура) монотонно падает. Эти и некоторые другие наблюдения привели к мысли провести эксперимент, где бы создавался заведомо откалиброванный поперечный тепловой поток.
Рис.2. Изображение комбинированного канала О^аШгаПоп + 0,51^Ь1пе88 (без ретуши). Стрелкой указана радиальная линия, вдоль которой взяты значения яркости пикселов различных каналов для соседнего графика
Position
Рис.З. Графики значений яркостей, взятых для одних и тех же точек вдоль радиального отрезка (см. пред. рис.) для каналов Hue (цвет), Saturation (насыщенность) и комбинированного канала
Экспериментальная установка
Рис.4. Установка для тарировочной съёмки жидкого кристалла позволяет изучать влияние поперечного теплопотока на цветовые характеристики ЖК-термоиндикатора
Рис.5. Схема определения теплового потока бп, направленного нормально к измерительной пластинке, по показаниям термодатчиков и углу наклона тарировочной установки
Рис.6. Снимки калибровки ЖК, выполненные при углах наклона 0, 20 и 45 градусов. Изменения цвета hue и температуры отображены серым клином, поперечные тепловые потоки Qn равны 0 на левом, 51 - 26 на среднем и 140-90 вт/м2 на правом снимках
По существу, это усовершенствованное устройство для тарировки цвета ЖК по температуре (см. [1]). Как и прежде, создаётся вертикальный тепловой поток путём нагревания верхних слоёв воды. Температура с глубиной уменьшается и создаётся тепловой клин с достаточно ровными горизонтальными изотермами. При данном способе нагрева не возникает конвективный теплообмен, только теплопроводность воды определяет процесс. Затем ванна и вместе с ней видеокамера с осветителями медленно наклоняются до нужного угла (рис. 4). Герметичная крышка с прижимным устройством, держащая пластину с датчиками и ЖК, позволяет доводить угол до 90° без проливания воды - при этом достигается максимальный градиент температур. Специальный фиксатор позволяет удерживать нужный угол наклона всей конструкции, значение угла считывается с транспортира. Термопары заменены на полупроводниковые датчики сопротивления конструкции Карманова, выполненные в тонких стеклянных сапожках игольчатой формы диаметром 1мм, что позволяет обеспечить надёжный тепловой контакт с жидкостью.
Две галогенные лампы, расположенные по бокам камеры, освещают пластину с ЖК с двух сторон под углом 45°. Их яркость регулируется ЛАТром.
Зная угол наклона и распределение температуры вдоль измерительной пластины (с помощью интерполяции, [1]) легко определить тепловой поток в направлении крышка-дно, вследствие теплопроводности воды ()х = к (1Т/(1х , и поперечную компоненту ()п = ()х ^а , где коэффициент теплопро-
водности к принимается равным 0,7 Вт/м град (стекло), так как ЖК нанесён между двумя стеклянными пластинами (рис.5).
Результаты и выводы
1. Проведены тарировочные опыты для ЖК-термоиндикаторов двух типов: наносимых вручную на поверхность и инкапсулированных в плёнки, и определены их цветотемпературные характеристики.
2. Выяснено, что наличие поперечного теплового потока не приводит к заметному искажению температурных данных, хотя и снижает их точность, вследствие слабой стационарности теплового процесса.
3. В исследованном диапазоне поперечного теплового потока (до 300 Вт/м2) не выявлены цветовые характеристики, позволяющие однозначно идентифицировать величину этого потока или градиента температур.
4. Высокая цветотемпературная чувствительность позволяет прогнозировать создание оптического датчика тепловых потоков при комбинировании двух разных плёночных ЖК-термоиндикаторов с близкими характеристиками.
Литература
1. Захаров A.A. Автоматизированный метод калибровки жидких кристаллов Н Лесной вестник: Специализированный выпуск «Физика». - 2000. - №2(11).
2. T.Chan, K.Jambunatban, T.Leung, S. Ashforth-Frost A Surface Temperature Calibration Method for Thermochromic Liquid Crystals Using True-Colour Image Processing. Proceedings of The Tenth International Heat Transfer Conference, Brighton, UK, 1994.
3. Беляков B.A., Сонин A.C., Оптика холестерических жидких кристаллов. - М.: Наука, 1982.
4. Захаров A.A. Визуализация температурных полей с помощью жидких кристаллов и черно-белой фотопленки // Науч. тр. МГУ леса // Вып. 269. - 1995.
