автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Телевизионные методы визуализации объектов и процессов в химически агрессивных средах

005003859

Разумовская Александра Олеговна

ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ МЕТОДЫ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ОБЪЕКТОВ И ПРОЦЕССОВ В ХИМИЧЕСКИ АГРЕССИВНЫХ СРЕДАХ

Специальность: 05.12.04 «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

-8 ДЕК 2011

005003859

На правах рукописи

Разумовская Александра Олеговна

ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ МЕТОДЫ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ОБЪЕКТОВ И ПРОЦЕССОВ В ХИМИЧЕСКИ АГРЕССИВНЫХ СРЕДАХ

Специальность: 05.12.04 «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого», Великий Новгород.

Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор

Карачинов Владимир Александрович

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, доцент

Корнышев Николай Петрович

Кандидат технических наук Мосягин Владимир Васильевич

Ведущая организация: ФГУП МКБ «Электрон», г. Москва

Защита состоится « 23 » декабря 2011 года в 16-00 на заседании диссертационного совета Д 212.168.07 при Новгородском государственном университете им. Ярослава Мудрого по адресу: 173003, Россия, Великий Новгород, ул. Б.Санкт-Петербургская, д.41

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новгородского государственного университета им. Ярослава Мудрого.

Реферат разослан «¿Я » ИОл5/Р<] 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.168.07 I Бритин С.Н.

До

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие и совершенствование цифровых телевизионно-диагностических систем способствует широкому распространению в различных отраслях - машиностроении, металлургии, химическом, стекольном производстве - телевизионных методов визуализации объектов и процессов, отличающихся высокой чувствительностью, отсутствием инерционных погрешностей и влияния на объект исследования.

Промышленные телевизионные системы визуализации и наблюдения, обладающие химической стойкостью, представляют особую актуальность на производствах с экстремальными технологическими условиями с применением химически агрессивных веществ (в том числе, плавиковой кислоты), где пребывание человека-оператора сопряжено с известными для жизни опасностями. Существующий ограниченный перечень химически стойких телевизионных камер не включает в себя образцы, устойчивые, в частности, по отношению к плавиковой кислоте.

Создание телевизионных камер, устойчивых к воздействию паров плавиковой кислоты требует применения новых конструкционных материалов корпуса и входного окна. Особые перспективы в данном вопросе открывают наноматериалы.

Отдельного внимания требует задача предотвращения проникновения агрессивной внешней среды внутрь корпуса телевизионной камеры через стенки корпуса, неплотности и микроотверстия в стыках деталей, которая может решаться не только посредством повышения степени герметичности конструкции, но и подачей внутрь корпуса телевизионной камеры инертного газа под давлением.

Экстремальные условия эксплуатации химически стойкой телевизионной камеры порождают проблему удалённости наблюдений, то есть обеспечения канала связи. Канал связи может быть выполнен в беспроводном или проводном исполнении, предназначенном как для подачи электропитания и управления телевизионной камерой, так и для подачи внутрь корпуса инертного газа под давлением.

Применение современных фотоприемных устройств в составе телевизионного модуля позволяет получать изображения наблюдаемых процессов и явлений с высоким разрешением и цветопередачей, однако уровень и тип освещенности, различного рода искажения в оптическом канале значительно влияют на качество изображений и требуют разработки моделей и проведения соответствующих расчетов.

Задачи промышленных телевизионных систем также включают в себя измерение величин. [1,2] Среди подобных задач дистанционное измерение концентрации химических веществ, геометрических размеров различных объектов, в том числе, слоев - тепловых и гидродинамических, измерение температур, измерение скоростей потоков и т. п.

В рамках систем телевизионной визуализации объектов и процессов представляют интерес методы цифровой обработки телевизионных изображений

и методы компьютерного моделирования исследуемых процессов, позволяющие повысить точность измерений, достоверность распознавания событий, а также спрогнозировать их развитие.

Целью данной диссертационной работы является разработка телевизионных методов визуализации объектов и процессов на основе химически стойкой телевизионной камеры для экстремальных условий эксплуатации.

Задачи диссертационной работы

1. Анализ принципов построения и характеристик, а также осуществление классификации существующих телевизионных фест-систем.

2. Разработка методов (научных основ) создания базовых конструкций телевизионных камер, обладающих повышенной химической стойкостью.

3. Разработка цифрового телевизионно-индикаторного метода визуализации объектов и процессов в газообразных средах с возможностью измерения концентрации веществ.

4. Разработка в рамках лазерно-телевизионной системы, визуализирующей оптические неоднородности по принципу деформации регулярного линейно-наклонного контраста, цифрового контурного метода для диагностики микрогетерогенных систем.

Методы исследования

При проведении экспериментальных исследований применялись методы:

- методы линейных измерений; - метод Теплера;

- методы термометрии; - метод наклонных решеток;

- методы фотометрии; - методы оптической спектроскопии;

- прецизионный весовой метод; - металлографические методы;

- телевизионно-индикаторный (химическое травление, оптическая

метод (цветовых меток); микроскопия).

Использовались математические методы расчета и статистической обработки экспериментальных данных с применением ЭВМ.

Научная новизна

1. С использованием оптического входного окна из наноматериала, обладающего химической, радиационной стойкостью и селективным коэффициентом пропускания (поглощения) света, проводных и беспроводных принципов организации канала связи и питания, методов и систем, обеспечивающих надежность конструкции в экстремальных условиях эксплуатации, разработан новый класс телевизионных камер, обладающих повышенной химической стойкостью, в том числе к парам плавиковой кислоты.

2. Разработан телевизионно-индикаторный метод, позволяющий осуществлять диагностику газообразных технологических сред с возможностью видеонаблюдения объектов и процессов. Экспериментально апробированы базовые алгоритмы цифровой обработки цветных изображений индикаторов для дистанционного определения концентрации агрессивных веществ.

3. Разработан и экспериментально апробирован цифровой телевизионно-теневой метод визуализации оптических неоднородностей по принципу деформации регулярного линейно-наклонного контраста для диагностики микрогетерогенных систем.

4. Впервые предложен и апробирован цифровой контурный метод, позволяющий частично автоматизировать процесс цифровой обработки телевизионного изображения деформированного теневого линейно-наклонного контраста и рассчитывать профиль толщин пограничного слоя.

5. Разработаны физические и оптико-геометрические модели телевизионных систем визуализации объектов и процессов в химически агрессивных средах, позволяющие оценивать телевизионный сигнал с учетом параметров исследуемого объекта, среды, оптической системы и матричного фоточувствительного приёмника.

Практическая ценность

- Предложены и реализованы варианты конструкций химически стойких телевизионных камер.

- Разработаны алгоритмы и программное обеспечение, позволяющее по изображениям, полученным с помощью телевизионных методов визуализации объектов и процессов в химически агрессивных средах, определять концентрации агрессивных веществ и рассчитывать профиль толщин пограничного слоя.

- Предложена методика выполнения энергетического расчета телевизионной системы визуализации с лазерной подсветкой.

Научные положения

1. Методы, основанные на использовании легированного и нелегированного наноматериала, обладающего политипной самоорганизацией, проводных и беспроводных принципах организации канала связи и питания, систем создания и поддержания избыточного давления газа, позволяют создать новый класс телевизионных камер, обладающих повышенной химической стойкостью, в том числе к парам плавиковой кислоты.

2. Телевизионно-индикаторный метод, основанный на формирования цветного телевизионного изображения сенсора - индикатора, помещенного в химически агрессивную среду и реализации алгоритмов цифровой обработки изображения, позволяет осуществлять измерение концентрации агрессивного вещества с точностью не ниже 15% в помещениях с различной освещенностью.

3. Контурный метод, основанный на цифровых алгоритмах обработки телевизионного изображения деформированного теневого линейно-наклонного контраста, позволяет измерять профиль толщин пограничного слоя с точностью не ниже 5%.

Реализация в науке и технике

Результаты диссертационной работы апробированы и внедрены в ОАО «НИИПТ «Растр» в созданной химически стойкой телевизионной камере «КТП-322». Кроме того, результаты диссертационной работы используются в НовГУ им. Ярослава Мудрого в лекционных курсах и лабораторном практикуме для студентов специальности «Проектирование и технология электронных средств», «Микроэлектроника и твердотельная электроника».

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались на:

- международных научно-технических конференциях («Современное телевидение», Москва, 2007...2011 г.г.; «Телевидение: передача и обработка

изображений», С-Пб, 2007, 2008 г.г.; «Проблемы проектирования и производства радиоэлектронных средств», Новополоцк, Беларусь, 2008 г.; «XXXV Гагаринские чтения», Москва, 2009 г.);

- всероссийских научно-технических конференциях («Модернизация региона — модернизация страны: поиск национальной модели», В. Новгород, 2007 (доклад занял I место по секции «Новые веяния в технике и технологии»); «VI Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых», С-Пб., 2009 г.; «Наука и образование в развитии промышленной, социальной и экономической сфер регионов России», Муром, 2010г.);

- «Научная конференция преподавателей, аспирантов и студентов НовГУ», В. Новгород, 2007 -2011 г.г.);

- конкурсах («Городская выставка научно-технического творчества», 2007 г.: награждена дипломом «СПЕЦПРИЗ» в номинации «Радиоэлектроника»; победитель программы «У.М.Н.И.К.» за 2009/2010, 2010/2011 уч.г.; «Перспектива 2010»: I место в номинации «Радио-, вычислительная техника, электроника»).

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке программы "У.М.Н.И.К. "2009-2010г., "Перспектива 2010", Министерства образования и науки РФ, проект 2.1.2/11324

Публикации

По теме диссертации опубликовано 28 научных работ, из которых 7 статей, в том числе, 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, тезисы к 19 докладам на международных и всероссийских научно-технических конференциях, 1 учебно-методическая работа, 1 патент РФ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, определены цель, объект и предмет исследования. Сформулированы научные результаты и положения, выносимые на защиту, определены их научная новизна и практическая значимость, приведены сведения относительно апробации и внедрения работы.

В первой главе проведен анализ имеющихся в литературе данных о разработках, ведущихся в настоящее время в области проектирования телевизионных фест-систем. Выполнено исследование принципов построения, характеристик существующих фест-систем, а также впервые осуществлена и классификация.

Классификация телевизионных фест-систем по признаку внешнего воздействия: термостойкие; химически стойкие (коррозионностойкие); радиационностойкие; вибростойкие; биостойкие; абразивостойкие.

По признаку функционального назначения фест-системы подразделяются на системы контроля: геометрических параметров крупно- и мелкогабаритны объектов (в т.ч., дефектов материалов и конструкций, тепловых гидродинамических пограничных слоев, биообъектов и др.); температурны полей; деформаций; концентрации веществ и др.

Вторая глава посвящена разработке научных основ создания базовых конструкции телевизионных камер, обладающих повышенной химической стойкостью. Предложены возможные варианты исполнения базовых конструкций химически стойких телевизионных камер (рис.1). На камеру в малогабаритном исполнении в виде кабеля получен патент РФ №2420819.

При разработке методов создания химически стойких телевизионных камер были решены следующие задачи, включающие:

- выбор рабочего спектрального диапазона (от 400 до 750 нм);

- выбор материалов для изготовления корпуса камеры и входного окна (фторопласт и карбид кремния (SiC) политипа 6Н);

- разработка методов обеспечения герметичности, повышающих время непрерывной работы камеры в агрессивной среде (метод поддува);

- обеспечение теплового режима и др.

Проведенный анализ химически стойких материалов, пригодных для изготовления корпуса и входного окна камеры с учетом выделенных определяющих критериев, позволил выделить материалы, инертные по отношению к плавиковой кислоте, обладающие достаточной механической и термической прочностью.

Из известных полимерных материалов наиболее подходящим по химической стойкости для изготовления корпуса химически стойкой телевизионной камеры был выбран фторопласт-4, а для изготовления входного окна был выбран карбид кремния (SiC) политипа 6Н, компенсированного типа Это обеспечивало образцам оптическую прозрачность в видимом диапазоне Кристаллы были выращены в ЛЭТИ, в лаборатории Ю.М. Таирова. Средняя толщина образцов составляла от 450 до 1000 мкм. Были проведены исследования химическом стойкости входных окон из Si С с применением прецизионного весового метода (табл. 1) и металлографического метода (использовалось лабораторное оборудование ОАО: «Акрон», «ОКБ-Планета». [3]

Применение химически стойкой телевизионной камеры для создания системы визуализации предполагает использование телевизионных модулей позволяющих получать цветные неискаженные изображения. Однако наличие центров рассеяния в структуре 6H-SiС вызывает изменение частоты света при прохождении через входное окно. Поэтому важным этапом выполнения работы явились экспериментальные исследования коэффициентов пропускания входных окон из бН-SiC. Было осуществлено сравнение коэффициентов пропускания т исследуемых образцов и построены графики зависимости коэффициента пропускания входного окна из 6H-SiC<V> от длины волны.

Ч и ф:

У/ШШ///АШ/У

Систем.

блок

ипит.

Безопасное помецение

6) Химически стойкая телевизионная камера в автономном исполнении

TV-мо дуль Источник питания Саккумулятор) Приемо-передатчик

Персональный компьютер

Химически-опасное помещение

Ш////////////////У

Безопасное помецение ____

в) Химически стойкая телевизионная камера с подсветкой

ту—модуль Канал связи

Баллон с инеотнып газом Персональный компьютер Системный влдк Осветитель

|Химически-опасное помещение;

Систем. БЛОК

ипит.

Безопасное помецение

г) Химически стойкая телевизионная камера в

Малоговоритныст ТУ-модзль Канал связи

Баллон с. инертным газом Персональный компьютер Системный блок

Химически-опасное помецение

Систем.

БЛОК

Упит,

Безопасное помецение

Рис. 1 - Варианты исполнения базовых конструкций химически стойких телевизионных камер

Эксперименты показали, что значения коэффициента пропускания входных окон из 6Н-8Ю до и после взаимодействия с соляной и плавиковой кислотами существенно не изменяется в диапазоне длин волн от 400 нм до 750 нм.

Таблица 1 - Экспериментальное исследование химической стойкости образцов бН-ЫС^, 6Н-51С<У> прецизионным весовым методом (многофункциональные аналитические весы 011-200)

Масса до обр., г

Масса обр., г

после

Потеря массы, г

6Н-81С<№>+ +№(40%), 24 ч, Т=25 °С

0,0596

0,0596

0,0000

6Н-81С<1ч[>+ +Ш03(70%), 24 ч, Т=25 °С

0,0580

0,0578

0,0002

6Н-81С<У>+ +НС](37%), 46ч, кипение

0,1217

0,1215

0,0002

6Н-8Ю<У>+ +№(47%), 24 ч, Т=25 °С

0,1215

0,1215

0,0000

Для решения задачи блокирования процессов проникновения химических реагентов внутрь камеры были предложены и исследованы методы полной герметизации корпуса, заливки химически стойкими компаундами, поддува (создание избыточного давления). Для практической реализации был выбран метод создания избыточного давления внутри корпуса. Теоретическое обоснование метода осуществлялось как с использованием известной инженерной классической модели, так и разработанной нами модели регулярных пор В модели - система регулярных пор неплотности соединений конструкции представлена в виде системы регулярных цилиндрических пор одинакового диаметра, в которых течение инертного газа рассматривается как ламинарное (течение Пуазеиля). Объёмный расход жидкости пропорционален перепаду давления на единицу длины трубки (градиенту давления в трубе) и четвёртой степени радиуса (диаметра) трубы:

Я — [ с (г) <Ш = 2тг ¡V (г) Гйт = = -к)

I ' 1 128 пЬ ЯпГ,

8 ЦЬ (1)

где (р! ~Р2) - разница давлений внутри и снаружи корпуса, Па;

П - динамический коэффициент вязкости инертного газа, Па-с; 1 - длина микропоры, м; /Л-диаметр микропоры, м.

Расчеты, выполненные с использованием модельных представлений в зависимости от свойств материала корпуса (размеров микропор), свойств инертного газа, величины давления инертного газа внутри корпуса геометрических размеров стыковых соединений показали, что максимальное значение расхода газа составляет 0 = [Ю"2 л/ч - 20 л/ч]. Также была оценена степень герметичности конструкции.

С позиций теплофизики химически стойкая телевизионная камера рассмотрена как устройство, преобразующее электрическую энергию источников питания в тепловую. Была разработана тепловая модель камеры с поддувом учитывающая наиболее существенные черты конструкции аппарата и протекающих в нем процессов. Анализ тепловых режимов производился как

аналитическими (метод цепей), так и численными методами (метод конечных элементов, реализованные на базе программы ЕЬСиТ). Решение задачи показало, что создание избыточного давления внутри камеры существенно снижает перегрев ее теплонагруженных элементов.

Рис. 2 - Химически-стойкая ТВ-камера КТП-322 . Фото.

По результатам проведенных исследований совместно с ОАО «НИИПТ «Растр» в рамках НИОКР «Экстрим» был разработан и изготовлен опытный образец химически стойкой телевизионной камеры КТП-322 (патент РФ на изобретение №2397523), которая, то нашим оценкам, в настоящее время является единственной телевизионной камерой способной работать в условиях воздействия паров НБ, (см. рис. 2).

Третья глава посвящена разработке цифрового телевизионно-индикаторного метода диагностики газообразных технологических сред с возможностью видеонаблюдения объектов и процессов.

В работе отмечается, что в условиях производства алюминия, травления полупроводниковых материалов, обогащения урана и др., где пребывание человека-оператора связано с определенными опасностями, требуется вести постоянное видеонаблюдение за процессами и объектами, но и осуществлять контроль за состоянием атмосферы в технологических помещениях. Довольно часто он реализуется с использованием электронных датчиков. В то же время определенный интерес представляют чисто телевизионные методы контроля.

Были разработаны принципы реализации телевизионно-индикаторного метода (рис. 3) и модельные представления системы визуализации на базе химически стойкой телевизионной камеры.

Показано, что предложенная система визуализации предназначена для работы в помещениях с различной освещенностью, в том числе и с низкой за счет использования подсветки (в видимом диапазоне длин волн). Под воздействием агрессивного вещества, рассеянного в атмосфере химически опасного помещения, чувствительный сенсор (индикатор), установленный в поле зрения камеры, обратимым образом меняет цвет. Телевизионная камера помимо наблюдения за процессами и объектами, находящимися в химически опасной зоне, осуществляет передачу информации о цвете индикатора на компьютер, расположенный в безопасном помещении. Концентрация агрессивного вещества оценивается путем визуального сравнения с имеющимся эталоном (бумажным или электронным) или программным методом (на основе алгоритма сравнения цвета заданного участка видеоизображения с электронным эталоном). Полученные значения концентрации можно сравнить с ранее определенными пороговыми нормативами («норма», «внимание», «тревога»).

с

Систем.

блок

ипит.

Безопасно© помецение-

Химически-опасное помёцение

/ I /

И с

\ ) [и

С(хЧ

1 - TV-модуль г - Канал связи

3 -' Баллон с инертным гозон

4 - Персональный компьютер

5 - Системный блок И - Индикатор

Рис. 3 - Принцип реализации телевизионно-индикаторного метода

Для выбора индикаторов, адаптированных к разработанной телевизионной системе, были сформированы следующие определяющие критерии (требования): изменение цвета под воздействием заданного вещества; малая инерционность (время срабатывания 1 сек); обратимость взаимодействия вещества и индикатора; чувствительность в заданном диапазоне концентраций; работа в заданном диапазоне температур (-40..,+60°С); необходимые геометрические размеры (30x10x2 мм); пригодность для применения во взрывоопасных помещениях; отсутствие потребления электроэнергии.

Эксперименты показали, что перечисленным требованиям достаточно хорошо отвечают химические индикаторы серии «Колибри» (ОАО «Инфотэк-Груп», г.Москва), реагирующие на аммиак NH3 (меняет цвет с голубого на синий), соляную НС1 (меняет цвет с жёлтого на коричневый) и плавиковую HF кислоты (меняет цвет с синего на жёлтый).

Были разработаны алгоритмы определения концентрации вещества и программное обеспечение «Metka 1.0» (см. рис. 4), позволяющие при помощи компьютера, входящего в состав системы визуализации не только наблюдать за процессами в химически опасном помещении, переходить к численным оценкам концентрации веществ, осуществлять калибровку цветовых индикаторов в палитре RGB, но и автоматизировать процесс контроля.

Согласно разработанной методике калибровки, на примере атмосферы, содержащей аммиак, были проведены эксперименты и составлены калибровочные таблицы для индикаторов аммиака (рис. 4, а), построены графики зависимости интенсивности R, G, В составляющих цвета индикатора от концентрации аммиака. В работе отмечается, что в зависимости от концентрации химического вещества, типа основы индикатора (бумага, ткань), равномерности и плотности его пропитки, освещения в рабочем помещении, расположения объектива телевизионной камеры относительно индикатора, регистрируемые цвета могут существенно варьировать. Поэтому калибровку следует проводить для каждого индикатора в конкретных условиях эксплуатации системы.

Телевизионно-индикаторный метод визуализации является косвенным методом. На регистрируемые величины интенсивности RGB оказывает влияние целый набор факторов, порождающий погрешности. В отношении индикатора и измерительной системы предложена классификация погрешностей.

Рис. 4 - Программа «МеИса! .0»: а) главное окно программы (калибровочная таблица для индикатора аммиака в диапазоне концентраций С = 0.. .2,5 мг/л); б) выбор участка изображения

Тек(2 С = 0 мг/л С = 0,5 мг/л С = 1,0 мг/л С = 1,5 мг/л

С = 2,0 мг/л С « 2,5 мг/л

Инструментальная погрешность 5п (погрешность измерения параметров светового потока): статическая (связана с изменениями измерительной системы и электрическими помехами); динамическая (связана с инерционностью индикатора, приемника излучения, электронного тракта); метрологическая (погрешность средств измерения).

Методическая погрешность: 5и - связана с изменением свойств цветового химического индикатора; 6т — зависит от изменения свойств оптического тракта, по которому проходит излучение от индикатора до фотоприёмника; 5ф - связана с искажениями светового потока.

Таким образом, предложенный телевизионно-индикаторный метод (цветовых меток) отличается малой инерционностью, простотой и разнообразием вариантов реализации, чувствительностью, наглядностью результатов измерения, безопасностью для исследователя.

Четвертая глава посвящена разработке цифрового контурного метода диагностики микрогетерогенных систем в рамках лазерно-телевизионной системы, визуализирующей оптические неоднородности по принципу деформации регулярного линейно-наклонного контраста.

Следует подчеркнуть, что основные области применения систем визуализации на базе химически стойкой телевизионной камеры - различного рода технологии, где значительную актуальность имеют процессы массопереноса, теплопереноса и протекания химических реакций, подлежащих контролю.

В работе отмечается, что определенную перспективу при построении узкопольных лазерно-телевизионных систем, реализующих решеточные методы, представляют цифровые методы обработки теневых телевизионных изображений регулярного точечного контраста, которые были предложены в исследованиях Карачинова В.А., Ильина C.B. Дальнейшим продолжением таких исследований является предложенный цифровой контурный метод обработки теневых телевизионных изображений регулярного линейно-наклонного контраста.

Были спроектированы и изготовлены наклонные решетки с шириной линии с1=0,05мм и периодом решетки Б = (0,3; 0,35; 0,4; 0,45) мм, набрана статистика и проведены многочисленные эксперименты (рис. 5, а).

Рис. 5 - Тепловой пограничный слой вокруг вертикально ориентированного нагретого резистора, зарегистрированный: а) методом наклонной решетки; б) методом Теплера. Эксперимент.

Существуют отработанные модели, использующие традиционную систему с цилиндрическим источником тепла, вертикальным и горизонтальным. Цифровая обработка таких изображений микрогетерогенных систем с целью получения информации по толщине пограничных слоев представляет определенные трудности, в том числе, с позиции автоматизации. Поэтому был разработан алгоритм и программное обеспечение «Kontur 1.0» (рис.6), которые реализуют интерактивный режим.

Программное обеспечение «Kontur 1.0» позволяет (в том числе, в режиме реального времени) в рамках метода наклонных решеток проводить исследование геометрических параметров оптических неоднородностей различной природы (например, тепловых пограничных слоев в оптически прозрачных средах).

Измерения производятся на статическом изображении, полученном от видеокамеры. Кроме того, программа сдержит геометрическую калибровку, необходимую для приведения в соответствие расстояний на изображении и физических расстояний на объекте исследования. Измерения проводятся посредством построения контура по реперным точкам. Результаты измерений выводятся в графическом и табличном виде.

Рис. 6 — Главное окно программы «Kontur 1.0».Фото.

В работе также приведены результаты исследований микрогетерогенных систем с парными источниками тепла, основанные на телевизионном теневом методе Теплера [5]. Предложены модели лазерно-телевизионных систем (рис.8), разработана методика оптимизации энергетических характеристик лазерно-телевизионной системы (ЛТС) и выполнен энергетический расчет, проведены экспериментальные исследования (рис.5, б) и моделирование температурных полей микрогетерогенных систем с парными источниками тепла. На рис. 7 представлена оптико-геометрическая модель ЛТС. В фокальной плоскости основного объектива К коллиматорной части ЛТС находится когерентный источник света конечных размеров И. В фокусе основного объектива О находится ФПЗС-матрица. Перед основным объективом оптической системы помещен светофильтр СФ для фильтрации фонового освещения. Оптическая ячейка Я наполнена дистиллированной водой. В фокальной плоскости основного объектива О размещен оптический нож Н. Встроенный позиционер Я дает возможность перемещать перпендикулярно оптической оси ЛТС оптический нож Н, который перекрывает часть формируемого на ФПЗС-матрице изображения открытой части источника света.

Я

К

€

У//-///////////////У////////У//////////

С<Р „

о

<РПЗС

г

н т '/7

'/////,■/////////////////////////////////////7\

Рис. 7 - Оптико-геометрическая модель ЛТС

Для расчета освещенности изображения на ФПЗС-матрице использовалось известное выражение, позволяющее найти наилучшие условия проецирования светящегося тела источника света на ФПЗС-матрицу [4]:

_ Фоба

\6nlR2 ¡л2

(2)

где Ф„5 - световой поток в люменах, попадающий в объектив; а - апертура основного объектива, (а ~ 2Щ; с - ширина открытой части изображения осветительной щели; тоб - коэффициент пропускания света оптической системой теневого прибора; I - средняя ширина источника света в направлении, перпендикулярном щели теневого прибора; ц - масштаб изображения неоднородности; /л' - масштаб изображения источника света; Я - радиус основного объектива теневого прибора.

Контраст изображений К был рассчитан, исходя из количества сигнальных, фоновых и шумовых электронов, образующихся в матрице при формировании изображения:

N -Ж -Ы

££ — сигн фон ' Ш

где - число сигнальных электронов образованных лазерным

излучением; Ыфан - число электронов, образованных дневным светом; -количество шумовых электронов.

Для проверки достоверности разработанной оптико-геометрической модели ЛТС была разработана методика и проведены экспериментальные исследования контраста теневых изображений.

В заключении приведены результаты диссертационной работы и сформулированы основные выводы, заключающиеся в следующем:

1. Телевизионно-индикаторный (цветовых меток) метод позволяет в рамках системы визуализации на базе химически стойкой телевизионной камеры осуществлять дистанционное измерение и контроль концентрацию агрессивных веществ в химически опасных помещениях с различной освещенностью.

2. Цифровые контурные методы диагностики микрогетерогенных систем в рамках лазерно-телевизионной системы, реализованные на базе химически стойкой телевизионной камеры с применением специализированного программного обеспечения, позволяют решать задачи, связанные с наблюдением объектов на больших расстояниях, визуализацией оптических неоднородностей (процессов химического растворения, окислительно-восстановительных процессов в гальванике, тепловых пограничных слоев в жидких оптически прозрачных средах, в т.ч., агрессивных) и измерение их параметров, измерением деформаций, температур и др.

3. Оптико-геометрические модели систем визуализации объектов и процессов в химически агрессивных средах позволяют осуществлять энергетический расчет и оценивать контраст теневых изображений в зависимости от мощности источника излучения и фоновой освещенности в рабочем помещении.

4. Предложенный в работе метод цифровой обработки теневых телевизионных изображений позволяет осуществлять экспериментальное определение контраста, что важно при отладке лазерно-телевизионного оборудования.

Список цитируемой литературы

1. Карачинов В.А., Карачинов Д.В., Торицин С.Б. Зондовые методы телевизионной пирометрии нагретых газовых потоков, - НовГУ им. Ярослава Мудрого. - Великий Новгород, 2006. - 108 с.

2. Белозеров А.Ф. Оптические методы визуализации газовых потоков. -Казань:Изд-во Казан, гос. Техн. Ун-та, 2007. - 747 с.

3. Самсонов Г.В., Виницкий И.М. Тугоплавкие соединения. - Справочник. 2-е изд. М„ Металлургия , 1976. 560 с.

4. Васильев ДА. Теневые методы, - М.: «Наука», Главная редакция физико-математической литературы, 1968. -400 е.: ил.

5. Хауф В., Григуль У., Оптические методы в теплопередаче, перевод с английского А.Н. Вишнякова и канд. техн. наук И.В. Орфанова, под редакцией проф. В .Я. Лихушина, «Мир», М., 1973, 240 с.

Список научных трудов

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Карачинов В.А., Разумовская А.О., Челпанов В.И., Карачинов Д.В. Исследование температурного поля конвективных потоков вокруг резистора// Проектирование и технология электронных средств. - 2006г. - №4. - С. 16-19.

2. Карачинов В.А., Казакова М.В., Разумовская А.О.,Торицин С.Б. Математическое моделирование системы формирования изображения телевизионного эндоскопа промышленного назначения // Системы и средства связи телевидения и радиовещания, №1, 2, 2010, с. 125-128.

3. Карачинов В.А., Торицин С.Б., Разумовская А.О., Карачинов Д.В., Быстрова В.Г. Лазерно-телевизионная система оптической локации перцептивной структуры биоорганизмов в жидких средах // Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. 2011. № 1-2. С. 79-81.

Патенты

4. Патент №2420819 МПК Н01В 9/06. Газонаполненный кабель с заглушкой/ В.А. Карачинов, А.О. Разумовская, Д.В. Карачинов// Б.И.- 2011-№ 16.

Статьи в других изданиях

5. Карачинов В.А., Разумовская А.О., Джеренов И.Г., Торицин К .С., Гилев М.А. Исследование температурного поля конвективных потоков телевизионным методом// Вестник НовГУ, №46, 2008 г.

6. Карачинов В.А., Разумовская А.О., Ильин C.B. Исследование микрогетерогенных систем телевизионным методом // Вестник НовГУ, сер. техн. науки, №50, 2009, с. 58-61.

7. Карачинов В.А., Разумовская А.О., Джеренов И.Г., Челпанов В.И. Оптимизация энергетических характеристик теневого телевизионного прибора на основе ПЗС-матрицы // Системы и средства связи телевидения и радиовещания, №1,2, 2009, с. 77-81.

8. Карачинов В.А., Разумовская А.О., Челпанов В.И. Визуализация и исследование температурных полей микрогетерогенных систем с парными источниками тепла // Системы и средства связи телевидения и радиовещания, №1 2 2009, с. 82-84.

Учебно-методические работы

9. Карачинов В.А., Разумовская А.О., Ильин C.B. Исследование процессов свободной конвекции в жидкости телевизионным методом. // Лабораторный практикум В.Новгород: НовГУ им. Я. Мудрого, 2011. - 36 с.

Тезисы докладов

10. Карачинов В.А., Разумовская А.О., Карачинов Д.В. Цифровые методы визуализации и обработки теневых изображений в лазерно-телевизионных системах // 15-я Всероссийская научно-техн. конф. "Современное телевидение", труды . М.: ФГУПМКБ "Электрон", 2007. - 229с.

11. Карачинов В.А., Разумовская А.О., Карачинов Д.В., Челпанов В.И. Исследование оптических свойств кристаллов карбида кремния телевизионным методом // 15-я Всероссийская научно-техн. конф. "Современное телевидение", труды . М.: ФГУПМКБ "Электрон", 2007. - 229с.

12. Разумовская А.О. Исследование температурного поля конвективных потоков вокруг резистора // XIV научная конф. преподавателей, аспирантов и студентов НовГУ, тезисы докладов. В.Новгород, НовГУ им. Я. Мудрого, 2007.

13. Карачинов В.А., Разумовская А.О., Карачинов Д.В., Челпанов В.И., Торицин С .Б. Цифровые методы визуализации и обработки теневых изображений в лазерно-телевизионных системах // 5-я Международная конф. "Телевидение: передача и обработка изображений", материалы. С-Пб, 2007. - с. 56-58.

14. Карачинов В. А., Разумовская А.О., Телевизионные методы исследования температурных полей в лабораторном практикуме студентов //16-я Всероссийская научно-техн. конф. "Современное телевидение", труды . М.: ФГУПМКБ "Электрон", 2008. - с.75-77.

15. Разумовская А.О. Телевизионные методы исследования температурных полей в лабораторном практикуме студентов // XV научная конф. преподавателей, аспирантов и студентов НовГУ, тезисы докладов. В.Новгород, НовГУ им. Я. Мудрого, 2008. - с. 252.

16. Разумовская А.О., Джеренов И.Г. Телевизионные методы исследования температурных полей в изучении технических дисциплин // 6-я Международная конф. "Телевидение: передача и обработка изображений",

материалы. С-Пб, 2008.

17. Карачинов В.А., Джеренов И.Г., Разумовская А.О. Термоанемометр на основе карбида кремния // 5-я международная конф. «Проблемы проектирования и производства радиоэлектронных средств», материалы. Новополоцк, Беларусь, 2008.

18. Карачинов В. А., Разумовская А.О., Методика оптимизации энергетических характеристик лазерно-телевизионной системы // 17-я Международная научно-техн. конф. "Современное телевидение", труды. М.: ФГУПМКБ "Электрон", 2008. - с.68-71.

19. Разумовская А.О., Карачинов Д.В., Ильин C.B., Цифровые методы визуализации и обработки теневых изображений температурных полей в лазерно-телевизионных системах // Международная молодежная научная конференция «XXXV Гагаринские чтения». М.: «МАТИ»-РГТУ им. К.Э.Циолковского, 2009.

20. Разумовская А.О., Карачинов Д.В., Ильин C.B. Визуализация и

обработка теневых изображений в лазерно-телевизионных системах // VI

Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых, сборник трудов. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2009.

21. Разумовская А. О. Визуализация и обработка теневых изображений конвективных потоков при стационарных и нестационарных тепловых нагрузках // Сборник конкурсных научных работ аспирантов и молодых ученых по направлению «Стратегическое партнерство ВУЗов и предприятий радиоэлектронной промышленности», С.-Пб, 2009. - с. 46-55.

22. Карачинов В.А., Разумовская А.О., Казакова М.В., Ильин C.B. Исследование микрогетерогенных систем с парными источниками // Тезисы докл. 18 -я Международная научно-техн. конф. «Современное телевидение», труды M * ФГУПМКБ «Электрон», 2010. - с. 100-103.

23. Карачинов В.А., Казакова М.В., Разумовская А.О., Карачинов Д.В., Пуляев М.П Пирометр телевизионный эндоскопического типа с вихревым охлаждением // 18-я Международная научно-техн. конф. «Современное телевидение», труды. М.: ФГУПМКБ «Электрон», 2010. - с.104-106.

24. Карачинов В.А., Разумовская А.О. Коррозионностойкая телевизионная камера // XVII научная конф. преподавателей, аспирантов и студентов НовГУ, труды. В.Новгород, НовГУ им. Я. Мудрого, 2010.

25. Карачинов В.А., Разумовская А.О., Казакова М.В. Цифровое моделирование гидродинамического и теплового режима телевизионного эндоскопа // Всероссийской межвузовской научной конференции «Наука и образование в развитии промышленной, социальной и экономической сфер регионов России». Муром: ИПЦ МИ ВлГУ., 2010. - с.887-888.

26. Карачинов В.А., Разумовская А.О., Казакова М.В., Ильин C.B. Телевизионная система оптической локации биоорганизмов в жидких средах // Тезисы докл. 19-я Международная научно-техн. конф. «Современное телевидение», труды. М.: ФГУПМКБ «Электрон», 2011. - с.72-75.

27. Разумовская А.О. Измерительная система на базе химически стойкой камеры// Тезисы докл. XVIII научная конф. Преподавателей, аспирантов и студентов НовГУ, труды. В. Новгород, НовГУ им. Я. Мудрого, 2011.

28. Разумовская А.О., Ильин C.B., Казакова М.В., Карачинов В.А. Телевизионные методы диагностики пограничных слоев в микрогетерогенных системах// Тезисы докл. Международной научной школы «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических технологиях». М.: Издательский дом МЭИ, 2011. - с.57-58.

Разумовская Александра Олеговна

ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ МЕТОДЫ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ОБЪЕКТОВ И ПРОЦЕССОВ В ХИМИЧЕСКИ АГРЕССИВНЫХ СРЕДАХ

Подписано к печати 15.07.2010. Формат 60x84/16 Гарнитура Times New Roman. Тираж 100 экз. Усл. печ. л. 1,1- Закз№ 45

Отпечатано в ЗАО «Новгородский технопарк». 173003, Великий Новгород, ул. Б. Санкт-Петербургская, 41. Тел. (816 2) 73-76-76.

Введение.

Глава 1 - Анализ принципов построения и характеристик существующих телевизионных фест-систем (обзор литературы).

1.1 Классификация телевизионных фест-систем.

1.2 Термостойкие телевизионные фест-системы.

1.2.1 Общие принципы и особенности построения термостойких телевизионных фест-систем.

1.2.2 Анализ существующих образцов термостойких телевизионных систем.

1.3 Радиационно стойкие телевизионные системы.

1.3.1 Общие принципы и особенности построения радиационно стойких телевизионных фест-систем.

1.3.2 Анализ существующих образцов радиационно стойких телевизионных систем.

1.4 Химически стойкие телевизионные системы.

1.4.1 Общие принципы и особенности построения химически стойких телевизионных фест-систем.

1.4.2 Анализ существующих образцов химически стойких телевизионных систем.

Выводы по главе 1 и постановка задач исследований.

Глава 2 - Разработка научных основ создания базовых конструкций телевизионных камер, обладающих повышенной химической стойкостью.

2.1 Разработка вариантов базовых конструкций химически стойких телевизионных камер.

2.2 Выбор спектрального диапазона.

2.3 Выбор материалов для изготовления корпуса и входного окна химически стойкой телевизионной камеры.

2.3.1 Выбор материала входного окна.

2.3.2 Выбор материала корпуса.

2.4 Методы обеспечения герметичности.

2.5 Анализ тепловых режимов.

2.6 Практическая реализация.

Выводы по главе 2.

Глава 3 - Разработка цифрового телевизионно-индикаторного метода визуализации объектов и процессов в газообразных средах с возможностью измерения концентрации веществ.

3.1 Теоретические основы метода.

3.1.1 Методы газового анализа. Газоанализаторы: типы и принципы работы.

3.1.2 Принципы и методы цветовых измерений.

3.2 Модельные представления и принципы реализации телевизионноиндикаторного метода.

3.3 Выбор цветовых химических индикаторов.

3.4 Методика калибровки химических индикаторов.

3.5 Разработка программного обеспечения «Ме1ка 1.0».

3.6 Результаты экспериментальных исследований. 3.7 Анализ погрешностей при измерении концентрации телевизионно-индикаторным методом.

Выводы по главе 3.

Глава 4 - Разработка телевизионных методов диагностики микрогетерогенных систем.

4.1 Класс микрогетерогенных систем и телевизионные методы их анализа.

4.2 Физические основы теневых телевизионных методов исследования микрогетерогенных систем.

Щ, 4.3 Применение телевизионного метода Теплера для исследования микрогетерогенных систем.

4.3.1 Разработка методики экспериментальных исследований

4.3.2 Экспериментальное исследование температурных полей микрогетерогенных систем с парными источниками тепла методом Теплера.

4.3.3 Моделирование температурных полей микрогетерогенных систем с парными источниками тепла. щС 4.4 Методика оптимизации энергетических характеристик теневого Гй' телевизионного прибора на основе ФПЗС-матрицы.

4.4.1 Физическая и оптико-геометрическая модель лазерно-телевизионной системы, построенной по методу Теплера.

4.4.2 Энергетический расчет ЛТС «Луч-К».

4.4.2.1 Расчет освещенности ФПЗС-матрицы источником излучения.

4.4.2.2 Расчет освещенности ФПЗС-матрицы фоновым дневным светом.

4.4.2.3 Переход к энергетическим единицам.

4.4.2.4 Расчет шумов.

4.4.2.5 Расчет контраста изображения.

4.4.3 Экспериментальное определение контраста теневого изображения.

4.4.3. Разработка методики эксперимента.

4.4.3.2 Результаты экспериментальных исследований.

4.5 Телевизионный метод наклонных решеток.

4.5.1 Теория метода.

4.5.2 Экспериментальные исследования микрогетерогенных систем телевизионным методом наклонных решеток.

4.5.3 Разработка алгоритма и программного обеспечения

Kontur 1.0».

Выводы по главе 4.

Развитие и совершенствование цифровых телевизионно-диагностических систем способствует широкому распространению в различных отраслях - машиностроении, металлургии, химическом, стекольном производстве - телевизионных методов визуализации объектов и процессов, отличающихся высокой чувствительностью, отсутствием инерционных погрешностей и влияния на объект исследования.

Промышленные телевизионные системы визуализации и наблюдения, обладающие химической стойкостью, представляют особую актуальность на производствах с экстремальными технологическими условиями с применением химически агрессивных веществ (в том числе, плавиковой кислоты), где пребывание человека-оператора сопряжено с известными для жизни опасностями. Существующий ограниченный перечень химически стойких телевизионных камер не включает в себя образцы, устойчивые, в частности, по отношению к плавиковой кислоте.

Создание телевизионных камер, устойчивых к воздействию паров плавиковой кислоты требует применения новых конструкционных материалов корпуса и входного окна. Особые перспективы в данном вопросе открывают наноматериалы.

Отдельного внимания требует задача предотвращения проникновения агрессивной внешней среды внутрь корпуса телевизионной камеры через стенки корпуса, неплотности и микроотверстия в стыках деталей, которая может решаться не только посредством повышения степени герметичности конструкции, но и подачей внутрь корпуса телевизионной камеры инертного газа под давлением.

Экстремальные условия эксплуатации химически стойкой телевизионной камеры порождают проблему удалённости наблюдений, то есть обеспечения канала связи. Канал связи может быть выполнен в беспроводном или проводном исполнении, предназначенном как для подачи электропитания и управления телевизионной камерой, так и для подачи внутрь корпуса инертного газа под давлением.

Применение современных фотоприемных устройств в составе телевизионного модуля позволяет получать изображения наблюдаемых процессов и явлений с высоким разрешением и цветопередачей, однако уровень и тип освещенности, различного рода искажения в оптическом канале значительно влияют на качество изображений и требуют разработки моделей и проведения соответствующих расчетов.

Задачи промышленных телевизионных систем также включают в себя измерение величин. Среди подобных задач дистанционное измерение концентрации химических веществ, геометрических размеров различных объектов, в том числе, слоев - тепловых и гидродинамических, измерение температур, измерение скоростей потоков и т. п.

В рамках систем телевизионной визуализации объектов и процессов представляют интерес методы цифровой обработки телевизионных изображений и методы компьютерного моделирования исследуемых процессов, позволяющие повысить точность измерений, достоверность распознавания событий, а также спрогнозировать их развитие.

Целью данной диссертационной работы является разработка телевизионных методов визуализации объектов и процессов на основе химически стойкой телевизионной камеры для экстремальных условий эксплуатации.

Методы исследования

При проведении экспериментальных исследований применялись методы:

- методы линейных измерений; - метод Теплера;

- методы термометрии; - метод наклонных решеток;

- методы фотометрии; - методы оптической спектроскопии;

- прецизионный весовой метод; - металлографические методы;

- телевизионно-индикаторный (химическое травление, оптическая метод (цветовых меток); микроскопия).

Использовались математические методы расчета и статистической обработки экспериментальных данных с применением ЭВМ.

Научная новизна

1. С использованием оптического входного окна из наноматериала, обладающего химической, радиационной стойкостью и селективным коэффициентом пропускания (поглощения) света, проводных и беспроводных принципов организации канала связи и питания, методов и систем, обеспечивающих надежность конструкции в экстремальных условиях эксплуатации, разработан новый класс телевизионных камер, обладающих повышенной химической стойкостью, в том числе к парам плавиковой кислоты.

2. Разработан телевизионно-индикаторный метод, позволяющий осуществлять диагностику газообразных технологических сред с возможностью видеонаблюдения объектов и процессов. Экспериментально апробированы базовые алгоритмы цифровой обработки цветных изображений индикаторов для дистанционного определения концентрации агрессивных веществ.

3. Разработан и экспериментально апробирован цифровой телевизионно-теневой метод визуализации оптических неоднородностей по принципу деформации регулярного линейно-наклонного контраста для диагностики микрогетерогенных систем.

4. Впервые предложен и апробирован цифровой контурный метод, позволяющий частично автоматизировать процесс цифровой обработки телевизионного изображения деформированного теневого линейно-наклонного контраста и рассчитывать профиль толщин пограничного слоя.

5. Разработаны физические и оптико-геометрические модели телевизионных систем визуализации объектов и процессов в химически агрессивных средах, позволяющие оценивать телевизионный сигнал с учетом параметров исследуемого объекта, среды, оптической системы и матричного фоточувствительного приёмника.

Практическая ценность

- Предложены и реализованы варианты конструкций химически стойких телевизионных камер.

- Разработаны алгоритмы и программное обеспечение, позволяющее по изображениям, полученным с помощью телевизионных методов визуализации объектов и процессов в химически агрессивных средах, определять концентрации агрессивных веществ и рассчитывать профиль толщин пограничного слоя.

- Предложена методика выполнения энергетического расчета телевизионной системы визуализации с лазерной подсветкой.

Научные положения

1. Методы, основанные на использовании легированного и нелегированного наноматериала, обладающего политипной самоорганизацией, проводных и беспроводных принципах организации канала связи и питания, систем создания и поддержания избыточного давления газа, позволяют создать новый класс телевизионных камер, обладающих повышенной химической стойкостью, в том числе к парам плавиковой кислоты.

2. Телевизионно-индикаторный метод, основанный на формирования цветного телевизионного изображения сенсора - индикатора, помещенного в химически агрессивную среду и реализации алгоритмов цифровой обработки изображения, позволяет осуществлять измерение концентрации агрессивного вещества с точностью не ниже 15% в помещениях с различной освещенностью.

3. Контурный метод, основанный на цифровых алгоритмах обработки телевизионного изображения деформированного теневого линейно-наклонного контраста, позволяет измерять профиль толщин пограничного слоя с точностью не ниже 5%.

Реализация в науке и технике

Результаты диссертационной работы апробированы и внедрены в ОАО «НИИПТ «Растр» в созданной химически стойкой телевизионной камере «КТП-322». Кроме того, результаты диссертационной работы используются в НовГУ им. Ярослава Мудрого в лекционных курсах и лабораторном практикуме для студентов специальности «Проектирование и технология электронных средств», «Микроэлектроника и твердотельная электроника».

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались на:

- международных научно-технических конференциях («Современное телевидение», Москва, 2007.2011 г.г.; «Телевидение: передача и обработка изображений», С-Пб, 2007, 2008 г.г.; «Проблемы проектирования и производства радиоэлектронных средств», Новополоцк, Беларусь, 2008 г.; «XXXV Гагаринские чтения», Москва, 2009 г.);

- всероссийских научно-технических конференциях («Модернизация региона - модернизация страны: поиск национальной модели», В. Новгород, 2007 (доклад занял I место по секции «Новые веяния в технике и технологии»); «VI Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых», С-Пб., 2009 г.; «Наука и образование в развитии промышленной, социальной и экономической сфер регионов России», Муром, 2010г.);

- «Научная конференция преподавателей, аспирантов и студентов НовГУ», В. Новгород, 2007 - 2011 г.г.); конкурсах («Городская выставка научно-технического творчества», 2007 г.: награждена дипломом «СПЕЦПРИЗ» в номинации «Радиоэлектроника»; победитель программы «У.М.Н.И.К.» за 2009/2010, 2010/2011 уч.г.; «Перспектива 2010»: I место в номинации «Радио-, вычислительная техника, электроника»).

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке программы "У.М.Н.ИК "2009-2011г., "Перспектива 2010", Министерства образования и науки РФ, проект 2 12/11324

Публикации

По теме диссертации опубликовано 28 научных работ, из которых 7 статей, в том числе, 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, тезисы к 19 докладам на международных и всероссийских научно-технических конференциях, 1 учебно-методическая работа, 1 патент РФ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 127 наименований и 6 приложений.

Выводы по главе 4

1. Разработанные и апробированные телевизионные контурные методы диагностики микрогетерогенных систем позволяют визуализировать температурные поля конвективных потоков и дают возможность оценивать структуру тепловых пограничных слоев, формируемых источниками тепла в оптически прозрачных средах с точностью не ниже 5%.

2. Яркостный контраст на изображениях, полученных с помощью контурных телевизионных методов, показывает характер распределения показателя преломления в конвективном потоке вокруг резистора и совпадает с типическими структурами конвективных потоков вокруг тел цилиндрической формы. Анализ экспериментальных и теоретических кривых зависимости контраста изображений оптической неоднородности от ширины открытой части изображения источника света при равных внешних условиях, проведенный с учетом погрешностей и искажений, показал достаточную степень совпадения.

3. Метод оптимизации энергетических характеристик JITC, разработанный на базе физической и оптико-геометрической моделей JITC «Луч-K» позволяет оценить контраст теневого изображения в зависимости от мощности источника излучения и внешних условий.

4. Предложенный в работе метод численной обработки экспериментальных телевизионных теневых изображений позволяет осуществлять моделирование распределения температур в пределах конвективного потока и строить графики распределения температур, градиентов температур, теплопроводности, и теплового потока по выделенным направлениям. Созданная тепловая модель достаточно надежно описывает температурное поле конвективного потока вокруг объекта. При этом наблюдается высокая степень совпадения результатов в рамках модели.

5. Программное обеспечение «Kontur 1.0» позволяет (в том числе, в режиме реального времени) в рамках метода наклонных решеток проводить исследование геометрических параметров оптических неоднородностей различной природы.

Заключение

Телевизионные методы визуализации и измерения параметров оптических неоднородностей, разработанные и исследованные в данной работе, позволили решить задачи, нацеленные на получение и обработку телевизионных изображений объектов и процессов, локализованных в химически агрессивных средах.

В итоге проделанной работы были получены следующие основные результаты:

1. Выполнен анализ принципов построения, характеристик и осуществлена классификация существующих телевизионных фест-систем.

2. Разработаны методы, основанные на использовании легированного и нелегированного наноматериала, обладающего политипной самоорганизацией, проводных и беспроводных принципах организации канала связи и питания, систем создания и поддержания избыточного давления газа, позволяют создать новый класс телевизионных камер, обладающих повышенной химической стойкостью, в том числе к парам плавиковой кислоты.

3. Экспериментальные исследования химической стойкости образцов входных окон из 6Н-81С<У> показало, что под воздействием НС1 и Ш7 они не меняют свою массу и коэффициент пропускания в диапазоне длин волн видимого светаот 400 до 750 нм.

4. Модель-система регулярных пор, представляющая неплотности стыковых соединений корпуса телевизионной камеры в виде системы регулярных цилиндрических пор позволила оценить объемный расход инертного газа в соответствии с уравнением Пуазейля. Расчеты показали, что в зависимости от свойств материала корпуса (качества его обработки, размеров микропор), свойств инертного газа, величины давления инертного газа внутри корпуса, геометрических размеров стыковых соединений показали, что максимальное значение расхода газа может составлять Q = (10"2 - 20) л/ч].

5. Численными методами конечных объёмов и конечных элементов с использованием стандартных пакетов программ были реализованы модели полей скоростей утечек и температурных полей химически стойкой телевизионной камеры с поддувом, учитывающие наиболее существенные черты конструкции аппарата и протекающих в нем процессов. Температурный режим химически стойкой телевизионной камеры не выходит за рамки рабочих температур.

6. Телевизионно-индикаторный метод, основанный на формирования цветного телевизионного изображения сенсора-индикатора, помещенного в химически агрессивную среду и реализации алгоритмов цифровой обработки изображения, позволяет осуществлять измерение концентрации агрессивного вещества с точностью не ниже 15% в помещениях с различной освещенностью и отличается малой инерционностью, простотой и разнообразием вариантов реализации, чувствительностью, наглядностью результатов измерения, безопасностью для исследователя.

7. Разработанное программное обеспечение «Metka 1.0» позволяет автоматизировать процесс калибровки цветовых химических индикаторов и последующих измерений.

8. Разработанные и апробированные телевизионные контурные методы диагностики микрогетерогенных систем позволяют визуализировать температурные поля конвективных потоков и дают возможность оценивать структуру тепловых пограничных слоев, формируемых источниками тепла в оптически прозрачных средах с точностью не ниже 5%.

9. Метод оптимизации энергетических характеристик J1TC, разработанный на базе физической и оптико-геометрической моделей JITC «Луч-K» с достаточной степенью достоверности относительно экспериментальных данных позволяет оценить контраст теневого изображения в зависимости от внешних условий.

10. Предложенный в работе метод численной обработки экспериментальных телевизионных теневых изображений позволяет осуществлять моделирование распределения температур в пределах конвективного потока и построить графики распределения температур, градиентов температур, теплопроводности, и теплового потока по выделенным направлениям. Созданная тепловая модель надежно описывает температурное поле конвективного потока вокруг объекта. При этом наблюдалась высокая степень совпадения результатов в рамках модели.

11. Применение впервые разработанного программного обеспечения «Kontur 1.0», реализующего цифровые алгоритмы обработки телевизионного изображения деформированного теневого линейно-наклонного контраста, позволяет измерять профиль толщин оптических неоднородностей различной природы с точностью не ниже 5%.

Список научных трудов

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Карачинов В.А., Разумовская À.O., Челпанов В.И., Карачинов Д.В. Исследование температурного поля конвективных потоков вокруг резистора// Проектирование и технология электронных средств. - 2006г. -№4. - С. 16-19.

2. Карачинов В.А., Казакова М.В., Разумовская А.О.,Торицин С.Б. Математическое моделирование системы формирования изображения телевизионного эндоскопа промышленного назначения // Системы и средства связи телевидения и радиовещания, №1, 2, 2010, с. 125-128.

3. Карачинов В.А., Торицин С.Б., Разумовская А.О., Карачинов Д.В., Быстрова В.Г. Лазерно-телевизионная система оптической локации перцептивной структуры биоорганизмов в жидких средах // Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. 2011. № 1-2. С. 79-81.

Патенты

4. Патент №2420819 МПК Н01В 9/06. Газонаполненный кабель с заглушкой/ В.А. Карачинов, А.О. Разумовская, Д.В. Карачинов// Б.И.- 2011-№ 16.

Статьи в других изданиях

5. Карачинов В.А., Разумовская А.О., Джеренов И.Г., Торицин К.С., Гилев М.А. Исследование температурного поля конвективных потоков телевизионным методом// Вестник НовГУ, №46, 2008 г, с. 51-54.

6. Карачинов В.А., Разумовская А.О., Ильин C.B. Исследование микрогетерогенных систем телевизионным методом // Вестник НовГУ, сер. техн. науки, №50, 2009, с. 58-61.

7. Карачинов В.А., Разумовская А.О., Джеренов И.Г., Челпанов В.И. Оптимизация энергетических характеристик теневого телевизионного прибора на основе ПЗС-матрицы // Системы и средства связи телевидения и радиовещания, №1,2, 2009, с. 77-81.

8. Карачинов В.А., Разумовская А.О., Челпанов В.И. Визуализация и исследование температурных полей микрогетерогенных систем с парными источниками тепла // Системы и средства связи телевидения и радиовещания, №1,2, 2009, с. 82-84.

Учебно-методические работы

9. Карачинов В.А., Разумовская А.О., Ильин C.B. Исследование процессов свободной конвекции в жидкости телевизионным методом. // Лабораторный практикум В.Новгород: НовГУ им. Я. Мудрого, 2011. - 35 с.

Тезисы докладов

10. Карачинов В.А., Разумовская А.О., Карачинов Д.В. Цифровые методы визуализации и обработки теневых изображений в лазерно-телевизионных системах // 15-я Всероссийская научно-техн. конф. "Современное телевидение", труды. М.: ФГУПМКБ "Электрон", 2007. - 229с.

11. Карачинов В.А., Разумовская А.О., Карачинов Д.В., Челпанов В.И. Исследование оптических свойств кристаллов карбида кремния телевизионным методом // 15-я Всероссийская научно-техн. конф. "Современное телевидение", труды. М.: ФГУПМКБ "Электрон", 2007. - 229с.

12. Разумовская А.О. Исследование температурного поля конвективных потоков вокруг резистора // XIV научная конф. преподавателей, аспирантов и студентов НовГУ, тезисы докладов. В.Новгород, НовГУ им. Я. Мудрого, 2007.

13. Карачинов В.А., Разумовская А.О., Карачинов Д.В., Челпанов В.И., Торицин С.Б. Цифровые методы визуализации и обработки теневых изображений в лазерно-телевизионных системах // 5-я Международная конф. "Телевидение: передача и обработка изображений", материалы. С-Пб, 2007. -с. 56-58.

14. Карачинов В.А., Разумовская А.О., Телевизионные методы исследования температурных полей в лабораторном практикуме студентов // 16-я Всероссийская научно-техн. конф. "Современное телевидение", труды . М.: ФГУПМКБ "Электрон", 2008. - с.75-77.

15. Разумовская А.О. Телевизионные методы исследования температурных полей в лабораторном практикуме студентов // XV научная конф. преподавателей, аспирантов и студентов НовГУ, тезисы докладов. В.Новгород, НовГУ им. Я. Мудрого, 2008. - с. 252.

16. Разумовская А.О., Джеренов И.Г. Телевизионные методы исследования температурных полей в изучении технических дисциплин // 6-я Международная конф. "Телевидение: передача и обработка изображений", материалы. С-Пб, 2008.

17. Карачинов В.А., Джеренов И.Г., Разумовская А.О. Термоанемометр на основе карбида кремния // 5-я международная конф. «Проблемы проектирования и производства радиоэлектронных средств», материалы. Новополоцк, Беларусь, 2008.

18. Карачинов В.А., Разумовская А.О., Методика оптимизации энергетических характеристик лазерно-телевизионной системы // 17-я Международная научно-техн. конф. "Современное телевидение", труды. М.: ФГУПМКБ "Электрон", 2008. - с.68-71.

19. Разумовская А.О., Карачинов Д.В., Ильин C.B., Цифровые методы визуализации и обработки теневых изображений температурных полей в лазерно-телевизионных системах // Международная молодежная научная конференция «XXXV Гагаринские чтения». М.: «МАТИ»-РГТУ им. К.Э.Циолковского, 2009.

20. Разумовская А.О., Карачинов Д.В., Ильин C.B. Визуализация и обработка теневых изображений в лазерно-телевизионных системах // VI Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых, сборник трудов. С-Пб.: СПбГУ ИТМО, 2009.

21. Разумовская А.О. Визуализация и обработка теневых изображений конвективных потоков при стационарных и нестационарных тепловых нагрузках // Сборник конкурсных научных работ аспирантов и молодых ученых по направлению «Стратегическое партнерство ВУЗов и предприятий радиоэлектронной промышленности», С.-Пб, 2009. - с. 46-55.

22. Карачинов В.А., Разумовская А.О., Казакова М.В., Ильин C.B.

Исследование микрогетерогенных систем с парными источниками // Тезисы докл. 18-я Международная научно-техн. конф. «Современное телевидение», труды. М.: ФГУПМКБ «Электрон», 2010. - с. 100-103.

23. Карачинов В.А., Казакова М.В., Разумовская А.О., Карачинов Д.В., Пуляев М.П Пирометр телевизионный эндоскопического типа с вихревым охлаждением // 18-я Международная научно-техн. конф. «Современное телевидение», труды. М.: ФГУПМКБ «Электрон», 2010. -с.104-106.

24. Карачинов В.А., Разумовская А.О. Коррозионностойкая телевизионная камера // XVII научная конф. преподавателей, аспирантов и студентов НовГУ, труды. В.Новгород, НовГУ им. Я. Мудрого, 2010.

25. Карачинов В.А., Разумовская А.О., Казакова М.В. Цифровое моделирование гидродинамического и теплового режима телевизионного эндоскопа // Всероссийской межвузовской научной конференции «Наука и образование в развитии промышленной, социальной и экономической сфер регионов России». Муром: ИПЦ МИ ВлГУ., 2010. - с.887-888.

26. Карачинов В.А., Разумовская А.О., Казакова М.В., Ильин C.B. Телевизионная система оптической локации биоорганизмов в жидких средах // Тезисы докл. 19-я Международная научно-техн. конф. «Современное телевидение», труды. М.: ФГУПМКБ «Электрон», 2011. - с.72-75.

27. Разумовская А.О. Измерительная система на базе химически стойкой камеры// Тезисы докл. XVIII научная конф. Преподавателей, аспирантов и студентов НовГУ, труды. В. Новгород, НовГУ им. Я. Мудрого, 2011.

28. Разумовская А.О., Ильин C.B., Казакова М.В., Карачинов В.А. Телевизионные методы диагностики пограничных слоев в микрогетерогенных системах// Тезисы докл. Международной научной школы «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических технологиях». М.: Издательский дом МЭИ, 2011. - с.57-58.

1. Меркулов А. П. Вихревой эффект и его применение в технике. Самара: Оптима, 1997—184 с.

2. Lenox Instrument Company http://www.lenoxinst.com

3. Ceysco Kinoptik Endoscopy www.cesyco-endoscopes.com

4. Canty Process Technology http://www.jmcanty.com

5. Mirion Technologies, http://www.mirion.com/

6. НИИ ПРОМЫШЛЕННОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ «РАСТР»: Современное состояние и перспективы развития прикладных телевизионных систем // Вестник НовГУ, сер. естеств. и техн. науки, №19, 2001.

7. ОАО «НИИ ПТ «Растр», www.rastr.natm.ru

8. Вовк О. Влияние ионизирующего излучения на системы видеонаблюдения // Технологии защиты, №2, 2010.у

9. Видикон http://ru.wikipedia.org/

10. Большой энциклопедический политехнический словарь электронный ресурс., Мультитрейд, 2004.

11. Video Camera Tube, http://en.wikipedia.org/

12. Milton Laikin Lens Design. 2nd. ed. rev. and expanded, California, 1995

13. Mirion Technologies, https://www.istcorp.com/

14. Konsberg Maritime, http://www.km.kongsberg.com/

15. ЗАО «Диаконт», www.diakont.ru/

16. ГОСТ12.1.005-88 Система стандартов безопасности труда Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны

17. Нержавеющая сталь, http://ru.wikipedia.org

18. Плавиковая кислота, http://ru.wikipedia.org20.