автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Термографический комплекс контроля технологических процессов

На правах рукописи

у-

ВАЛЬКЕ Алексей Александрович

ТЕРМОГРАФИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС КОНТРОЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 8 ноя 2013

Омск-2013

005540790

005540790

На правах рукописи

ВАЛЬКЕ Алексей Александрович

ТЕРМОГРАФИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС КОНТРОЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Омск-2013

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет»

Научный руководитель: Захаренко Владимир Андреевич,

доктор технических наук, доцент

Официальные оппоненты: Абрамова Елена Вячеславовна,

доктор технических наук, доцент ФГАУ «Научно-учебный центр «Сварка и контроль» при МГТУ им. Н. Э. Баумана

Козлов Александр Геннадьевич,

кандидат технических наук, доцент, проректор по научной работе ФГБОУ ВПО ОмГУ им. Ф. М. Достоевского

Ведущая организация: ОАО НПП «Эталон», г. Омск

Защита состоится «20» декабря 2013 г. в 12 ч на заседании диссертационного совета Д.212.178.01 при ФГБОУ ВПО «Омский государственный технический университет» по адресу: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11, корпус 8, ауд. 8-421. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОмГТУ.

Автореферат разослан «^ » И 2013 г. Ученый секретарь

диссертационного совета Д.212.178.01 доктор технических наук, доцент

В. Л. Хазан

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность диссертационных исследований.

Термографическая информация о распределении температур на поверхностях оборудования и конструкций позволяет контролировать различные технологические процессы, а также анализировать состояние оборудования, диагностировать дефекты и принимать решение о необходимости ремонта оборудования или его аварийной остановке. Информацию о распределении теплового поля в настоящее время получают с помощью специальных приборов- термографов (тепловизоров). Несмотря на широкое распространение тепловизоров смотрящего типа, в которых используются многоэлементные приемники излучения, существует ряд задач, когда целесообразно применять сканирующие термографические приборы. Это связано с тем, что из-за неоднородности параметров и характеристик отдельных чувствительных элементов матричных приемников требуется частая калибровка матрицы во время работы, что приводит к усложнению и соответственно к удорожанию приборов такого типа. Наибольшую трудность при этом представляет термостабилизация параметров полупроводниковых ячеек в матрицах. Кроме того, недостатками тепловизоров смотрящего типа является наличие фокусирующей линзы, что накладывает ограничения на применения таких приборов в условиях грязи, пыли брызг металлов и приводит к удорожанию эксплуатации таких приборов.

В настоящей работе приведены разработки строчно-сканирующих термографов, в которых используются одноэлементные приемники излучения. Сканирование в таких приборах осуществляется вдоль строки, а развертка температурного поля создается с помощью перемещения объекта сканирования или самого термографа. Строчно-сканирующие термографы чаще всего применяются для контроля за различными движущимися объектами, например, при осуществлении контроля стенки корпуса вращающихся печей цементного производства. К типу сканирующих приборов относятся тепловизоры: Иртис 2000С, выпускаемый российской компанией «Иртис», МР150 фирмы «Яау1ек», используемый в системе С8210 и другие.

Несмотря на то, что в России термографии в последние годы посвящено ряд работ: Е.В.Абрамова, О.Н. Будадин, В.П. Вавилов, Д.А. Нестерук, В.Г. Тор-гунаков и др. и на рынке присутствует большое разнообразие отечественных и зарубежных тепловизионных приборов, существуют специализированные задачи термографического контроля, решение которых требует как приборов, так и программного обеспечения, адаптированных под конкретные технологические процессы. Так, например, в рамках настоящей работы установлено, что по распределению теплового поля на поверхности стенки корпуса реактора замедленного коксования в производстве нефтяного кокса, возможно осуществлять контроль высоты образования коксующейся массы внутри реактора, т.е. решать за-

дачи уровнеметрии. Контроль теплового поля развертки цилиндрической стенки корпуса печи в цементном производстве позволяет не только вести технологический контроль за обжигом клинкера, но и решать задачи дефектоскопии. Термографический контроль футеровок технологического оборудования позволяет продлевать срок его службы и предотвращать аварийные ситуации. Поэтому создание дешевых термографических комплексов, адаптированных под эксплутационные условия технологических процессов, является актуальной проблемой.

С учетом вышесказанного актуальность настоящих диссертационных исследований обусловлена:

Необходимостью создания дешевых комплексов термографического контроля, адаптированных под конкретные технологические процессы, реализующих визуализацию тепловых полей строчно-сканирующими преобразователями и осуществления алгоритмической обработки полученной информации.

Цель диссертационных исследований:

Разработка специализированных термографических комплексов для задач теплового контроля в производствах цемента, минеральной ваты, нефтяного кокса, алгоритмического и программно-технического обеспечения визуализации и обработки изображений тепловых полей.

Задачи диссертационных исследований:

• Обосновать целесообразность применения для первичного преобразователя термографического комплекса приемника излучения на основе РЬБе фоторезистора.

• Разработать математическую модель, обеспечивающую адекватность геометрии тепловых полей и размеров прогаров футеровок при их визуализации с помощью строчно-сканирующего термографа.

• Разработать строчно-сканирующий термографический комплекс с программным обеспечением, адаптированным для задач теплового контроля процессов обжига сырья в цилиндрических вращающихся печах, обнаружения изменений толщины футеровочного слоя.

• Разработать аппаратно-программный термографический комплекс строчно-сканирующего контроля температуры поверхности стенки реактора, находящегося под избыточным давлением, обеспечивающий технологический контроль за уровнем образования нефтяного кокса.

• Разработать функциональную схему и специализированное программное обеспечение совмещения изображений тепловых полей от четырех строчно-сканирующих преобразователей для термографического комплекса автоматизированного контроля свода рекуперативной плавильной печи в производстве минеральной ваты.

Положения выносимые на защиту:

• Обобщенная функциональная схема термографического комплекса контроля технологических процессов.

• Обоснование выбора для поставленных задач фоторезистора на основе РЬБе в качестве приемника излучения для первичного строчно-сканирующего преобразователя

• Разработанная математическая модель геометрических представлений тепловых полей, полученных при визуализации с помощью строчно-скани-рующего преобразователя.

• Разработанный алгоритм динамического анализа тепловых полей, изменяющихся во времени по двум координатам.

• Разработанные алгоритмы термографического контроля процессов кок-сообразования в производстве нефтяного кокса.

• Алгоритмы совмещения и визуализации общего теплового поля, формируемого при помощи четырех термографических сканирующих первичных преобразователей.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

• Анализ и обоснование целесообразности применения РЬБе-фоторе-зистора в качестве приемника излучения для строчно-сканирующего преобразователя без использования систем охлаждения и оптических элементов.

• Разработаны математические модели геометрических представлений тепловых полей, полученных при визуализации с помощью строчно-скани-рующего преобразователя, позволяющие уменьшить искажения при визуализации геометрии дефектов футеровок.

• Предложен новый подход анализа термографического изображения двумерного теплового поля, изменяющегося во времени.

• Разработан специализированный термографический комплекс строчно-сканирующего контроля процессов обжига, адаптированный под тепловой контроль поверхности стенок корпуса вращающихся печей.

• Предложена функциональная схема автоматического теплового контроля свода корпуса рекуперативной печи, при помощи четырех сканирующих первичных преобразователей, в производстве минеральной ваты.

• Исследована возможность термографической уровнеметрии в производстве нефтяного кокса.

Практическая ценность работы состоит в следующем.

• Разработан комплекс термографического контроля технологических процессов обжига сырья и диагностирования состояния футеровки для цилинд-

рических вращающихся печей, адаптированный под различные технологические процессы.

• Разработан специализированный термографический комплекс для контроля уровня коксообразования в производстве,нефтяного кокса.

• Разработан специализированный термографический комплекс, позволяющий автоматизировать контроль свода рекуперативной плавильной печи в производстве минеральной ваты, при помощи четырех первичных преобразователей.

Внедренне результатов работы

• Термографические комплексы контроля стенок корпуса вращающихся печей обжига внедрены в производстве прокалки нефтяного кокса в ОАО «Газ-промнефть-ОНПЗ»; на печах обжига бокситового сырья в АО «Алюминий Казахстана» (г. Павлодар, Казахстан); в ОАО «БАЛЦЕМ», (г. Балаклея, Украина) на двух печах обжига клинкера в производстве цемента.

• Специализированный термографический комплекс для задач уровнемет-рии в процессах коксообразования при производстве нефтяного кокса внедрен на ОАО «Газпромнефть-ОНПЗ».

•Комплекс термографического контроля свода рекуперативной плавильной печи внедрен на ОАО «АКСИ» (г. Челябинск).

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских научно-технических конференциях: «Динамика систем, механизмов и машин», III Международная научно-техническая конференция (Омск, 1999), «Военная техника, вооружение и технологии двойного применения» III международный технологический конгресс (Омск, 2005), «Динамика систем, механизмов и машин», VI Международная научно-техническая конференция (Омск, 2007), «Температура 2004», II Всероссийская конференция по проблемам термометрии (Подольск, 2004) и др.

Публикации

По материалам диссертационных исследований опубликовано 21 печатная работа, из них 6 тезисов доклада и 12 статей (в изданиях из списка ВАК - 5 статей), два свидетельства отраслевого фонда алгоритмов и программ об отраслевой регистрации разработки и свидетельство о регистрации электронного ресурса.

Личный вклад автора

Автором разработаны алгоритмическое и программно-техническое обеспечение для задач теплового контроля при обработке сигналов от строчно-

сканирующих преобразователей. Разработка функциональных схем систем термографического контроля и внедрение проводилось при непосредственном участии автора. Автору принадлежит математическая модель геометрических представлений тепловых полей, полученных при визуализации с помощью строчно-сканирующего преобразователя и программные продукты для разработанных термографических комплексов.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Диссертация изложена на 142 листах основного текста, содержит 73 рисунка, 4 таблиц и 3 приложения.

Во введении обоснована актуальность разработки программно-аппаратных комплексов визуализации тепловых полей, сформулированы цели и задачи работы, научная новизна и практическая значимость результатов, представлены структура диссертации и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассматриваются физические законы регистрации тепловых излучений, приборы для визуализации тепловых полей, их структурные схемы и технические характеристики. Представлено описание промышленных объектов для задач термографического контроля.

За базовую схему разрабатываемого термографического комплекса взята функциональная схема строчно-сканирующего термографического комплекса с несколькими первичными строчно-сканирующими преобразователями, приведенная на рис.1.

Рис. 1. Функциональная схема термографического комплекса с несколькими первичными строчно-сканирующими преобразователями: ПП1 ... ПШ - первичные строчно-сканирующие преобразователи

На основе анализов протоколов обмена данными в главе представлено программное обеспечение для сопряжения строчно-сканирующего первичного термографического преобразователя с персональным компьютером. На рисунке 2 показан формат строки данных, о температуре передаваемой первичным преобразователем в персональный компьютер.

НК р р р Во

Рис. 2. Формат строки протокола обмена данными

Также в первой главе были обоснованы и сформулированы следующие общие требования к программному обеспечению:

• осуществлять прием информации от сканирующих преобразователей;

• обеспечивать преобразование кодов, приходящих с преобразователей, в значение температур;

• учитывать геометрические искажения, возникающие при отображении тепловых полей;

• выводить на экран монитора температурное поле объекта сканирования в виде цветного изображения, в котором обеспечивается соответствие цветовой палитры истинным значениям температуры контролируемой поверхности;

• сохранять данные в архив и считывать данные из архива;

• строить температурные профили по одному или нескольким сечениям;

• производить запись динамики изменения визуализируемой температуры в заданных точках;

• проводить анализ динамики тепловых процессов.

Вторая глава посвящена созданию математических моделей визуализации теплового поля, полученного после обработки информационных сигналов от сканирующего пирометрического преобразователя.

На рисунке 3 показана система сканирования с помощью вращающегося зеркала, применяемая в первичном преобразователе.

Лучистый поток (Ф) от объекта контроля (1) через диафрагму (2) поступает на вращающееся зеркало (4). Зеркало отражает поступивший поток на приемник излучения (3). Сканирование осуществляется за счет вращения зеркала электродвигателем (5).

Как видно из рисунка 3 при сканировании изменяются:

-расстояние L между источником и приемником излучения;

-угол между нормалью к плоскости источника излучения и направлением на приемник излучения;

-площадь контроля, определяемая мгновенным полем зрения ПИ;

Таким образом, разработка программного обеспечения для визуализации изображения тепловых полей требует решения трех задач:

1. Обеспечение соответствия геометрии изображения реальной картине теплового поля на объекте контроля.

2. Линеаризации шкал по осям X и Y при визуализации теплового поля.

3. Соответствие значений отображаемых температур, температурам поверхностей областей, сканируемых на объекте контроля.

Иллюстрация изменения площади мгновенного поля зрения от геометрических параметров зоны контроля приведена на рисунке 4.

В соответствии с рисунком 4 длина оси эллипса мгновенного поля зрения, лежащая в плоскости сканирования, выражается следующим образом:

A¡ B¡ := Job I + OA j2 - 20B j-OA j-cos(a) (1)

Рис. 3. Система сканирования с помощью вращающегося зеркала

Длина полуоси эллипса С;Оь лежащая перпендикулярно плоскости сканирования равна:

Сі0і:= 00,^1 Р)

оо0

где СЮ, :=

cos

Op)

На основании формул (1) и (2), был разработан алгоритм линеаризации визуализируемого теплового поля, отображаемого на экране.

о

Рис. 4. Изменение геометрических размеров контролируемого пятна от угла сканирования

Произведен анализ интерполяционных функций для восстановления изображения теплового поля, из массива данных полученных от сканирующего преобразователя. По критериям достаточной точности и времени обработки изображения температурного поля в темпе процесса была выбрана билинейная интерполяция, сводящаяся к последовательной линейной интерполяции между парами точек, расположенных на прямых, параллельных осям координат. При этом билинейная интерполяция вычисляется следующим образом:

Г(*>Уо) := г(*о>Уо) +

*"(*!> У о) ~ *"(*0>Уо)

х - х0

Г(*>У1) := *"(*0>У1) +

,У1) - Ф0.У1)

(3)

* - *о

:= ^х.уо) +

*{*>У1) ~ *(х>Уо) У-УО

Третья глава посвящена разработке алгоритмов работы программного обеспечения и разработке самого программного обеспечения.

В главе отражена разработка алгоритма программного обеспечения системы термографического контроля цилиндрических вращающихся печей.

Алгоритм термографического контроля стенки корпуса вращающейся печи предусматривает решение следующих задач:

1. Приема данных с первичного преобразователя.

2. Градуировки по модельному излучателю типа АЧТ.

3. Осуществления вывода на экран контролируемого температурного поля.

4. Вывода на экран периода вращения печи.

5. Вывода на экран графиков изменения температуры, соответствующих двум вертикальным курсорам.

6. Автоматического сохранения температурного поля с интервалом, заданным пользователем.

7. Вывода на экран графика распределения максимальной, минимальной и средней температур по длине печи.

8. Вывода на экран графиков изменения максимальной, минимальной и средней температур по зонам во времени.

9. Возможности анализа записанной информации по сети.

10. Возможности изменения конфигурации исходных параметров системы, определяемых местом установки строчно-сканирукмцего преобразователя.

Структурная схема алгоритма программного обеспечения, разработанного под поставленные задачи, приведена на рисунке 5.

После запуска программы производится выполнение модуля инициализации и загрузки настроек, в котором происходит первоначальная инициализация переменных и загрузка настроек программы из файлов конфигурации.

Модули приема и отображения данных выполняются после инициализации переменных и настройки программы, и их выполнение

С

НАЧАЛО

3

Ннициги эагр нас1 ииацняи узка ■роен

-У

Прием дажаых

Отображение данных

Рис. 5 Структурная схема алгоритма ПО

происходит циклически, до тех пор, пока не будет отдана команда на выход из программы.

По данному алгоритму было разработано программное обеспечение на языке высокого уровня С++ в среде Borland С++ Builder под операционную систему Windows. В программе использованы методы объектно-ориентированного программирования, что позволяет легко и быстро модифицировать программное обеспечение под конкретную задачу.

Вся графическая информация (температурное поле, графики, температурная шкала) и надписи в окнах визуализации тепловых полей выводится на форму при помощи метода Canvas. Для вывода на экран трендов температуры был разработан класс Trend, который выводит при помощи метода Canvas на компонент Image гренды. Кроме того, этот класс позволяет задавать интервал вывода трендов в диапазоне от одного часа до суток.

Программное обеспечение может работать в режиме визуализации теплового поля и отображении трендов изменения температуры по сечениям, отмеченным курсорами.

Интерфейс пользователя программного обеспечения системы термографического контроля в режиме визуализации теплового поля показан на рисунке 6.

D or і? гоог іэ зз м |лр<«« ла ов гл оо •«)

3 Каг^игя!ww i

: КШИ

: V І , V

ШИШ

ІІРЙІЩІІІ^ЩІІІ

Рис. 6. Окно визуализации теплового поля программного обеспечения системы термографического контроля

На рисунке 7 представлено окно визуализации трендов программного обеспечения системы термографического контроля. Предусмотрена возможность анализа максимальной, минимальной, средней температуры по двум сечениям и разности средних температур между первым и вторым сечением. Выбор интересующих трендов осуществляется с помощью "радио кнопок" находящихся над графиком.

< » Ар«» «ми«««*» • Плгащ, Печать Достал

а Тми Г Тип Г Тер

-Доступ Оператор

<11 '' ■...... . »

«МвшИшшййй

її ¿«2 т4'- Г-. Из» рвно 8 00:07:58 В,

Рис.7. Окно визуализации трендов программного обеспечения системы термографического контроля

В главе представлен алгоритм и программное обеспечение системы термографического контроля уровня нефтяного кокса в реакторе замедленного коксования. Система предназначена контролировать процесс получения нефтяного кокса в реакторе замедленного коксования, и состоит из восьми первичных строчно-сканирующих преобразователей, коммутатора на восемь каналов и персонального компьютера с установленным программным обеспечением. Уровень кокса в реакторе определяется по градиенту температуры на стенке корпуса реактора. Алгоритм работы программного обеспечения системы термографического контроля уровня нефтяного кокса в реакторе замедленного коксования показан на рисунке 8.

НАЧАЛО

Выбрать вход№1 коммутатора

Подключить выбранный вход коммутатора

Считать данные из СОМ порта

X

/ Отобразить

считанные данные \ на экране

Определить высоту кокса

Л

Выбрать вход №1 коммутатора

КОНЕЦ

Отключить выбранный вход коммутатора

Выбрать следующий вход коммутатора

Рис.8. Алгоритм работы программного обеспечения системы термографического контроля уровня нефтяного кокса

Алгоритм нахождения высоты нефтяного кокса в реакторе замедленного коксования построен на определении градиента температуры возникающей при процессе коксообразования и показан на рисунке 9.

Г

Рис. 9. Алгоритм нахождения высоты нефтяного кокса

При обработке информационных сигналов, поступающих со строчно-сканирующих преобразователей применена цифровая фильтрация, которая необходима для более четкого выделения градиентов температуры на поверхности реактора. Цифровая фильтрация входных данных в системе применена по алгоритмам классического гармонического анализа. При этом в формулах алгоритма фильтрации изменение сигнала во времени (секунды), заменяются на изменение сигналов по длине (высота в метрах).

На основании этих алгоритмов было разработано программное обеспечение системы термографического контроля уровня нефтяного кокса

В главе также приведена разработка алгоритма и программного обеспечения системы термографического контроля свода плавильной рекуперативной печи. Система состоит из четырех сканирующих пирометрических преобразователей установленных на четырех поворотных механизмах, устройства управления и управляющего компьютера с установленным программным обеспечением.

Алгоритм работы программного обеспечения системы термографического контроля плавильной рекуперативной печи показан на рисунке 10.

Рис. 10. Алгоритм работы программного обеспечения системы термографического контроля плавильной рекуперативной печи

В четвёртой главе рассмотрена теплофизическая модель контроля процессов обжига сырья во вращающихся печах, позволяющая рассчитывать толщину футеровочного слоя и температуру внутри корпуса печи.

Программное обеспечение комплекса термографического контроля поверхности стенок корпуса вращающихся печей позволяет визуализировать тепловое поле развертки цилиндра вращающейся печи, записывать данные в архив, как в автоматическом, так и в ручном режиме, строить графики распределения температуры по вертикальному и горизонтальному сечению, вычислять численные значения максимальной, минимальной и средней температуры по вертикальному сечению. Имеется возможность отображать график изменения максимальной, минимальной и средней температуры по вертикальному сечению и по зонам во времени. Осуществляется контроль превышения температуры по зонам. Предусмотрена возможность осуществлять контроль температуры в реальном времени по локальной сети.

Приведены интерфейсы пользователя для систем термографического контроля процессов обжига сырья во вращающихся цилиндрических печах в производствах цемента, алюминия и обжига нефтяного кокса.

На рисунке 11 показано окно интерфейса пользователя термографического комплекса контроля вращающейся печи цементного производства.

Рис. 11. Окно программного обеспечения термографического контроля вращающейся печи цементного производства

В главе проиллюстрирована работа программного обеспечения для определения высоты коксующихся продуктов с помощью системы термографического контроля температуры корпуса реактора замедленного коксования. Программное обеспечение визуализирует цветное изображение теплового поля стенки реактора вдоль зоны контроля и выводит графики изменения температуры по его высоте. Производится автоматический расчет высоты коксующейся массы и вывод на экран высоты и скорости изменения высоты коксующейся массы. Предусмотрены возможность анализа динамики изменения температур для любой точки в зоне контроля, задаваемой курсором на экране монитора, и сравнения графиков изменения температуры по высоте коксовой камеры во времени, автоматического архивирования информации с периодичностью от 5 минут.

На рисунке 12 показано распределение температуры поверхности корпуса реактора по высоте, полученное при помощи разработанного программного обеспечения.

Высота.м

Рис. 12. Распределение температуры поверхности корпуса реактора по высоте

Представленные сравнительные результаты определения уровня кокса при цомощи предварительно отградуированной штанге гидрорезака и термографической системой (рис. 13) позволяют сделать вывод об отклонении результатов термографических измерений высоты кокса от фактической высоты не более чем на I метр, что удовлетворяет требованиям эксплуатации.

Л

\ \ / \

4 'Ч < л я 4■

^ ^ л ^ л л

Ф к? Ф ф А Ф Л Ф л- Л Л- Ф л-

О» й СР ф о >?> ^ КУ Т?' -¡Р'

[ —♦— Замеры по штанге гадрорезака • Замеры по термограф«ческой системе I

Рис. 13. Сравнительные графики результатов замеров высоты кокса

В главе также представлен интерфейс пользователя комплекса термографического контроля свода рекуперативной плавильной печи. Программное обеспечение системы позволяет визуализировать температурное поле всей поверхности свода печи на экране управляющего компьютера за счет автоматического совмещения изображений, создаваемых по сигналам четырех строчно-сканирующих первичных преобразователей, производить архивирование изображения, контролировать температуру корпуса первичных преобразователей, отображать тренды максимальной, минимальной и средней температуры выбранной зоны и может работать в двух режимах: режиме визуализации температурного поля и в режиме отображения трендов. В режиме отображения трен-

дов в окне программного обеспечения отображаются тренды максимальной, минимальной и средней температуры выбранной зоны.

Окно программного обеспечения системы термографического контроля плавильной рекуперативной печи в режиме отображения трендов показано на рисунке 14.

,

Г Д К ¡г 3 г г л гч Ш г т < т \

т ш »1 т

ж жг

й» т

*т

т т

г№ Ж

Рис. 14. Окно программного обеспечения системы термографического контроля свода рекуперативной печи в режиме отображения трендов

Градуировка и поверка термографических комплексов проводилась на сертифицированных излучателях типа модели абсолютно черного тела АЧТ-45/100/1100. Определение угла поля зрения и пространственного разрешения проводилась при помощи сертифицированного протяженного излучателя типа ПЧТ-540/40/400.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе выполнения данной работы были получены следующие результаты:

1. Показана целесообразность разработки специализированных комплексов контроля технологических процессов на основе строчно-сканирующих первичных преобразователей с программным обеспечением, реализующим тепловой контроль в реальном времени.

2. Разработана математическая модель восстановления геометрии теплового поля, обеспечивающая улучшение качества термографической информации.

3. Разработанный алгоритм анализа двумерного теплового поля, изменяющегося во времени позволяет отслеживать динамику тепловых процессов, производить временной анализ ведения процессов обжига, отслеживать возникновение и развитие дефектов.

4. Предложенный алгоритм контроля высоты коксообразования при производстве нефтяного кокса позволяет повысить безопасность ведения процесса, обеспечить плановый выход кокса при условии минимизации энергозатрат, либо максимальную производительность установки, влиять на качество производимого кокса, автоматизировать процессы длительности циклов коксования.

5. Разработанные алгоритмы и программное обеспечение для задач термографического контроля стенок корпуса цилиндрических вращающихся печей, уровня нефтяного кокса, свода рекуперативных печей в производстве минеральной ваты, позволяют автоматизировать технологические процессы и решать задачи дефектоскопии.

6. Обоснование применения в строчно-сканирующем преобразователе в качестве приемника излучения РЬБе-фоторезистора позволило создать дешевые и надежные первичные строчно-сканирующие пирометрические преобразователи, работоспособные в условиях эксплуатации основного технологического оборудования.

7. Разработанные для теплового контроля свода рекуперативной печи алгоритмы совмещения изображений, формируемых четырьмя строчно-сканирующими преобразователями, позволили визуализировать термографическое представление всего свода печи и автоматизировать процесс теплового контроля поверхности свода.

8. Применение для разработки программного обеспечения методов объектно-ориентированного программирования и языков высокого уровня (С++ Builder) позволили создать аппаратно-программные термографические комплексы, адаптированные под различные технологические процессы, обеспечивающие тепловой контроль в реальном времени.

9. Термографические комплексы внедрены в промышленность, научно-исследовательский и учебный процесс подготовки бакалавров, магистров и аспирантов.

Основные результаты опубликованы в следующих работах:

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Вальке A.A. Восстановление и обработка изображений в сканирующих системах визуализации тепловых полей [текст] / Вальке A.A. Захаренко В.А. // Омский научный вестник. - 2000 - № 13 с. 117 - 119.

2. Вальке A.A. Применение тепловизионного контроля за уровнем коксования на Омском НПЗ [текст] / Вальке A.A., Захаренко В.А., Козлов A.B. // Омский научный вестник. - 2001 - №14. с. 138 -139.

3. Вальке A.A. Система термосканирующего контроля уровня в процессе коксообразования [текст] / В.А. Захаренко, A.A. Вальке, A.B. Козлов // Приборы и системы - 2004 - №4 - с. 55 - 58.

4. Вальке A.A. Система термографического контроля промышленного назначения [текст] / В.А. Захаренко, A.A. Вальке, A.B. Козлов // Датчики и системы - 2006 - №11 - с. 26 - 30.

5. Вальке A.A. Электронные средства пирометрического контроля в промышленности [текст] / A.A. Бабиков, A.A. Вальке, В.А. Захаренко, Д.Г. Лобов // Автоматизация в промышленности. - 2009. - №8. - С. 27 - 30.

Статьи в других изданиях:

6. Вальке A.A. Компьютерная обработка информации от сканирующих инфракрасных преобразователей [текст] / АА. Вальке В.А. Захаренко // Динамика систем, механизмов и машин: матер. III МНТК. - 1999 - с. 166-167.

7. Вальке A.A. Определение площади контролируемого пятна в системе строчного термосканирования [текст] / Вальке A.A. - Омск.: Молодые ученые на рубеже третьего тысячелетия : Материалы научной молодежной конференции-2001-с. 120-122.

8. Вальке A.A. Инфракрасные информационные технологии / В.А. Заха-ренко, A.A. Вальке, A.B. Козлов // Современные технологии при создании продукции военного и гражданского назначения: Сб. докл. технолог, конгресса. -Омск: ОмГТУ, 2001. - Ч. 1 - С. 303 - 305.

9. Вальке A.A. Система термосканирующего мониторинга [текст] / В.А. Захаренко, A.A. Вальке // Методы и средства измерения в системах контроля и управления : Матер. Всероссийской научн. конф.; под ред. Е.П. Осадче-го,-Пенза: ПГУ.-2001.-С. 189-191.

10. Вальке A.A. Применение потоков при приеме информации от сканирующего пирометра [текст] / Вальке A.A., Захаренко В.А. // Динамика систем, механизмов и машин: матер. IV МНТК. - Омск, 2002. - с. 265-267.

11. Вальке A.A. Применение потоков при приёме информации от сканирующего пирометра [текст] / В.А. Захаренко, A.A. Вальке// Динамика систем, механизмов и машин: матер. IV МНТК. - Омск, 2002. - С. 265-267.

12. Вальке A.A. Информационно-измерительная система по инфракрасному излучению [текст] / Захаренко В.А., Вальке A.A. // Датчик 2002: Материалы XIV МНТК - 2002 - с. 222-223.

13. Вальке A.A. Термографический контроль технологических процессов [текст] / A.A. Вальке, В.А. Захаренко, Д.Г. Лобов, Ю.Ю. Пономарёв. // Системы автоматизации в образовании, науке и производстве: Труды VI Всероссийской научно-практической конференции - Новокузнецк: СибГИУ, 2007. - С. 122 -123.

14. Вальке A.A. Инфракрасный контроль в технологии производства печатных плат [текст] / В.А. Захаренко, Д.Г.Лобов, A.A. Вальке // Динамика систем, механизмов и машин: матер. VI МНТК. - Омск, 2007. - С. 266-269.

15. Вальке A.A. Система тепловизионного контроля свода рекуперативной печи [текст] / A.A. Вальке, В.А. Захаренко, Д.Г. Лобов, Ю.Ю. Пономарев // Измерение, контроль, информатизация: Матер. 10-й Междунар. науч.-техн. конф. -Барнаул : АГТУ.-2009. - С. 128-131.

16. Вальке A.A. Система видеоконтроля узлов загрузки регенеративной печи [текст] / A.A. Вальке, Д.Г. Лобов, В.А. Захаренко, Ю.Ю. Пономарев // Динамика систем, механизмов и машин: матер. VII МНТК. - Омск, 2009. - С; 358361.

17. Вальке A.A. Моделирование температурных полей полей и механически х напряжений в системе ANSIS [текст] / В.А. Захаренко, A.A." Вальке // Ак-

туальные проблемы электронного приборостроения (АПЭП-2010): Матер. X мездунар. конф. - Новосибирск : НГТУ, 2010. - Т.6. - С. 116 - 117.

18. Вальке A.A. Переносной строчно-сканирующий пирометр [текст] / В.А. Захаренко, A.A. Вальке, Д.Г. Лобов // Проблемы разработки, изготовления и эксплуатации ракетно-космической и авиационной техники : Матер. VI Всероссийской науч. конф., посвящённой памяти главного конструктора ПО «Полёт» A.C. Клинышкова. - Омск: ОмГТУ, 2011. - 292 с.

19. Вальке A.A. Система термосканирующего мониторинга / В.А. Захаренко, A.A. Вальке // Свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 2525 Отраслевой фонд алгоритмов и программ. 18.04.2003г.

20. Вальке A.A. Система тепловизионного контроля за уровнем коксообра-зования. / В.А. Захаренко, A.A. Вальке // Свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 2676 Отраслевой фонд алгоритмов и программ. 05.06.2003г.

21. Вальке A.A. Программное обеспечение системы тепловизионного контроля свода рекуперативной печи / В.А. Захаренко, A.A. Вальке, Д.Г. Лобов // Свидетельство о регистрации электронного ресурса № 17678 Институт научной информации и мониторинга. 12.12.2011 г.

Печатается в авторской редакции

Компьютерная верстка О. Г. Белименко

Подписано в печать 15.11.13. Формат 60x84'/,6. Бумага офсетная. Отпечатано на дупликаторе. Усл. печ. л. 1,5. Уч.-изд. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ 627.

Издательство ОмГТУ. 644050, г. Омск, пр. Мира, 11; т. 23-02-12 Типография ОмГТУ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет»

04201454334

На правах рукописи

ВАЛЬКЕ АЛЕКСЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ТЕРМОГРАФИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС КОНТРОЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

Научный руководитель -д.т.н., доц. В. А. Захаренко

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Омск - 2013

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АКС - адаптер канала связи

АЧТ - абсолютно черное тело

АЦП - аналого-цифровой преобразователь

БЦО - блок цифровой обработки

КК - конец кадра

КС - конец строки

ЛС - линия связи

МПИ - матричный приёмник излучения

НК - настроечный код

НП - нагретая поверхность

НТ - нагретое тело

ПИ - приёмник излучения

ПО - программное обеспечение

ПП - первичный преобразователь

СУ - схема управления

УС - устройство сопряжения

УУ - устройство управления

ЭЛТ - электронно-лучевая трубка

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ И РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ 12 РЕШЕНИЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ТЕПЛОВЫХ ПОЛЕЙ

1.1. Физические основы регистрации тепловых излучений. 12

1.2. Промышленные объекты для задач термографического 14 контроля

1.2.1. Термографический контроль вращающихся 14 цилиндрических печей

1.2.2. Задачи термографической уровнеметрии в производстве 17 нефтяного кокса

1.2.3. Термографический контроль свода рекуперативной печи 20 в производстве минеральной ваты

1.3. Аналитический обзор приборов для визуализации 22 тепловых полей

1.4. Разработка специализированных термографических 38 комплексов

1.4.1. Функциональна схема термографического комплекса 38 контроля вращающихся цилиндрических печей

1.4.2. Функциональная схема термографического комплекса 40 контроля коксообразования в производстве нефтяного кокса

1.4.3. Функциональная схема термографического комплекса 41 контроля свода рекуперативной печи в производстве минеральной ваты

1.4.4. Обобщенная функциональная схема строчно- 44 сканирующего преобразователя

1.5. Обоснование выбора селенисто-свинцового фоторезистора 49 в качестве ПИ термографического преобразователя

1.6. Выводы по главе 1 55

ГЛАВА 2. ПОСТРОЕНИЕ МОДЕЛЕЙ ВОССТАНОВЛЕНИЯ 57 ИЗОБРАЖЕНИЯ

2.1. Построение геометрической модели термографических 57 преобразований строчно-сканирующих приборов

2.1.1. Прием лучистого потока от нагретого тела 57

2.1.2. Система сканирования с помощью вращающегося 58 зеркала

2.1.3 Исследование зависимости размеров контролируемого 60 пятна от угла сканирования

2.1.4 Исследование изменения регистрирующей мощности 64 излучения от угла сканирования

2.1.5 Обеспечение линейности шкалы визуализации зоны сканирования

2.1.6 Учет изменения регистрируемого потока от угла поворота плоскости излучающей поверхности относительно нормали к плоскости приемника излучения

2.2. Обоснование выбора интерполяционной функции при построении термографического изображения

2.3. Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ И ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ.

3.1. Разработка алгоритма программного обеспечения системы термографического контроля цилиндрических вращающихся печей

3.2. Разработка программного обеспечения системы термографического контроля цилиндрических вращающихся печей

3.3. Разработка алгоритма программного обеспечения системы термографического контроля уровня нефтяного кокса в реакторе замедленного коксования

3.3.1. Алгоритм цифровой фильтрации

3.4. Разработка программного обеспечения системы термографического контроля уровня нефтяного кокса в реакторе замедленного коксования

3.5. Разработка алгоритма программного обеспечения системы термографического контроля плавильной рекуперативной печи

3.6. Разработка программного обеспечения системы термографического контроля плавильной рекуперативной печи

3.7. Выводы по главе 3

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ, РАСЧЕТНЫХ, ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И НАТУРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1. Контроль процессов обжига сырья

4.1.1 Теплофизическая модель контроля процессов обжига сырья во вращающихся печах

4.1.2. Расчеты толщины футеровочного слоя и температуры на внутренней стенки печи

4.1.3. Интерфейс программного обеспечения термографической системы контроля корпуса вращающейся печи

4.2. Контроль процессов коксования

4.3. Контроль свода плавильной рекуперативной печи

71

72

76

77

77

85

88

92 97

97

103

104

105

105 105

111

115

117 120

4.4. Градуировка термографической системы и поверка 124 диапазона измерения радиационной температуры

4.5. Выводы по главе 4 128

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 129

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 131

ПРИЛОЖЕНИЯ 141

Приложение А. Акты внедрения результатов 142 диссертационной работы

Приложение Б. Алгоритмы программного обеспечения 148

Приложение В. Исходные коды программного обеспечения 152

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность диссертационных исследований.

Термографическая информация о распределении температур на поверхностях оборудования и конструкций позволяет контролировать различные технологические процессы, а также анализировать состояние оборудования, диагностировать дефекты и принимать решение о необходимости ремонта оборудования или его аварийной остановке. Информацию о распределении теплового поля в настоящее время получают с помощью специальных приборов - термографов (тепловизоров). Несмотря на широкое распространение тепловизоров смотрящего типа, в которых используются многоэлементные приемники излучения, существует ряд задач, когда целесообразно применять сканирующие термографические приборы. Это связано с тем, что из-за неоднородности параметров и характеристик отдельных чувствительных элементов матричных приемников требуется частая калибровка матрицы во время работы, что приводит к усложнению и соответственно к удорожанию приборов такого типа. Наибольшую трудность при этом представляет термостабилизация параметров полупроводниковых ячеек в матрицах. Кроме того, недостатками тепловизоров смотрящего типа является наличие фокусирующей линзы, что накладывает ограничения на применения таких приборов в условиях грязи, пыли брызг металлов и приводит к удорожанию эксплуатации таких приборов.

В настоящей работе приведены разработки строчно-сканирующих термографов, в которых используются одноэлементные приемники излучения. Сканирование в таких приборах осуществляется вдоль строки, а развертка температурного поля создается с помощью перемещения объекта сканирования или самого термографа. Строчно-сканирующие термографы чаще всего применяются для контроля за различными движущимися объектами, например, при осуществлении контроля стенки корпуса вращающихся печей цементного производства. К типу сканирующих приборов относятся тепловизоры: Иртис 2000С, выпускаемый российской компанией «Иртис», MP 150 фирмы «Raytek», используемый в системе CS210 и другие.

Несмотря на то, что в России термографии в последние годы посвящено ряд

работ: Е.В.Абрамова, О.Н.Будадин, В.П.Вавилов, Д.А.Нестерук, В.Г. Торгунаков и др. и на рынке присутствует большое разнообразие отечественных и зарубежных тепловизионных приборов, существуют специализированные задачи термографического контроля, решение которых

требует как приборов, так и программного обеспечения, адаптированных под конкретные технологические процессы. Так, например, в рамках настоящей работы установлено, что по распределению теплового поля на поверхности стенки корпуса реактора замедленного коксования в производстве нефтяного кокса, возможно осуществлять контроль высоты образования коксующейся массы внутри реактора, т.е. решать задачи уровнеметрии. Контроль теплового поля развертки цилиндрической стенки корпуса печи в цементном производстве позволяет не только вести технологический контроль за обжигом клинкера, но и решать задачи дефектоскопии. Термографический контроль футеровок технологического оборудования позволяет продлевать срок его службы и предотвращать аварийные ситуации. Поэтому создание дешевых термографических комплексов, адаптированных под эксплутационные условия технологических процессов, является актуальной проблемой.

С учетом вышесказанного актуальность настоящих диссертационных исследований обусловлена:

Необходимостью создания дешевых комплексов термографического контроля, адаптированных под конкретные технологические процессы, реализующих визуализацию тепловых полей строчно-сканирующими преобразователями и осуществления алгоритмической обработки полученной информации.

Цель диссертационных исследований:

Разработка специализированных термографических комплексов для задач теплового контроля в производствах цемента, минеральной ваты, нефтяного кокса, алгоритмического и программно-технического обеспечения визуализации и обработки изображений тепловых полей.

Задачи диссертационных исследований:

• Обосновать целесообразность применения для первичного преобразователя термографического комплекса приемника излучения на основе РЬ8е фоторезистора.

• Разработать математическую модель, обеспечивающую адекватность геометрии тепловых полей и размеров прогаров футеровок при их визуализации с помощью строчно-сканирующего термографа.

• Разработать строчно-сканирующий термографический комплекс с программным обеспечением, адаптированным для задач теплового контроля процессов обжига сырья в цилиндрических вращающихся печах, обнаружения изменений толщины футеровочного слоя.

• Разработать аппаратно-программный термографический комплекс строчно-сканирующего контроля температуры поверхности стенки реактора, находящегося под избыточным давлением, обеспечивающий технологический контроль за уровнем образования нефтяного кокса.

• Разработать функциональную схему и специализированное программное обеспечение совмещения изображений тепловых полей от четырех строчно-сканирующих преобразователей для термографического комплекса автоматизированного контроля свода рекуперативной плавильной печи в производстве минеральной ваты.

Положения выносимые на защиту:

• Обобщенная функциональная схема термографического комплекса контроля технологических процессов.

• Обоснование выбора для поставленных задач фоторезистора на основе РЬБе в качестве приемника излучения для первичного строчно-сканирующего преобразователя

• Разработанная математическая модель геометрических представлений тепловых полей, полученных при визуализации с помощью строчно-сканирующего преобразователя.

• Разработанный алгоритм динамического анализа тепловых полей, изменяющихся во времени по двум координатам.

• Разработанные алгоритмы термографического контроля процессов коксообразования в производстве нефтяного кокса.

• Алгоритмы совмещения и визуализации общего теплового поля, формируемого при помощи четырех термографических сканирующих первичных преобразователей.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

• Анализ и обоснование целесообразности применения РЬ8е-фоторезистора в качестве приемника излучения для строчно-сканирующего

преобразователя без использования систем охлаждения и оптических элементов.

• Разработаны математические модели геометрических представлений тепловых полей, полученных при визуализации с помощью строчно-сканирующего преобразователя, позволяющие уменьшить искажения при визуализации геометрии дефектов футеровок.

• Предложен новый подход анализа термографического изображения двумерного теплового поля, изменяющегося во времени.

• Разработан специализированный термографический комплекс строчно-сканирующего контроля процессов обжига, адаптированный под тепловой контроль поверхности стенок корпуса вращающихся печей.

• Предложена функциональная схема автоматического теплового контроля свода корпуса рекуперативной печи, при помощи четырех сканирующих первичных преобразователей, в производстве минеральной ваты.

• Исследована возможность термографической уровнеметрии в производстве нефтяного кокса.

Практическая ценность работы состоит в следующем.

• Разработан комплекс термографического контроля технологических процессов обжига сырья и диагностирования состояния футеровки для цилиндрических вращающихся печей, адаптированный под различные технологические процессы.

• Разработан специализированный термографический комплекс для контроля уровня коксообразования в производстве нефтяного кокса.

• Разработан специализированный термографический комплекс, позволяющий автоматизировать контроль свода рекуперативной плавильной печи в производстве минеральной ваты, при помощи четырех первичных преобразователей.

Внедрение результатов работы

• Термографические комплексы контроля стенок корпуса вращающихся печей обжига внедрены в производстве прокалки нефтяного кокса в ОАО «Газпромнефть-ОНПЗ»; на печах обжига бокситового сырья в АО «Алюминий Казахстана» (г. Павлодар, Казахстан); в ОАО «БАЛЦЕМ», (г. Балаклея, Украина) на двух печах обжига клинкера в производстве цемента.

• Специализированный термографический комплекс для задач уровнеметрии в процессах коксообразования при производстве нефтяного кокса внедрен на ОАО «Газпромнефть-ОНПЗ».

•Комплекс термографического контроля свода рекуперативной плавильной печи внедрен на ОАО «АКСИ» (г. Челябинск).

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских научно-технических конференциях: «Динамика систем, механизмов и машин», III Международная научно-техническая конференция (Омск, 1999), «Военная техника, вооружение и технологии двойного применения» III международный технологический конгресс (Омск, 2005), «Динамика систем, механизмов и машин», VI Международная научно-техническая конференция (Омск, 2007), «Температура 2004», II Всероссийская конференция по проблемам термометрии (Подольск, 2004)и др.

Публикации

По материалам диссертационных исследований опубликовано 21 печатная работа, из них 6 тезисов доклада и 12 статей (в изданиях из списка ВАК - 5 статей), два свидетельства отраслевого фонда алгоритмов и программ об отраслевой регистрации разработки и свидетельство о регистрации электронного ресурса.

Личный вклад автора

Автором разработаны алгоритмическое и программно-техническое обеспечение для задач теплового контроля при обработке сигналов от строчно-сканирующих преобразователей. Разработка функциональных схем систем термографического контроля и внедрение проводилось при непосредственном участии автора. Автору принадлежит математическая модель геометрических представлений тепловых полей, полученных при визуализации с помощью строчно-сканирующего преобразователя и программные продукты для разработанных термографических комплексов.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из

введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Диссертация изложена на 142 листах основного текста, содержит 73 рисунка, 4 таблиц и 3 приложения.

Во введении обоснована актуальность разработки программно-аппаратных комплексов визуализации тепловых полей, сформулированы цели и задачи работы, научная новизна и практическая значимость результатов, представлены структура диссертации и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассматриваются физические законы регистрации тепловых излучений, приборы для визуализации тепловых полей, их структурные схемы и технические характеристики. Представлено описание промышленных объектов для задач термографического контроля. Приведены обобщенная функциональная схема строчно-сканирующего преобразователя и требуемый протокол обмена данными между аппаратной частью и компьютером. Сформулированы требования к программной части термографического комплекса визуализации тепловых полей. Обоснован выбор в качестве приемника излучения в строчно-сканирующем преобразователе РЬБе-фоторезистора.

Вторая глава посвящена созданию математических моделей визуализации теплового поля, полученного после обработки информационных сигналов от сканирующего пирометрического преобразователя. Получена аналитическая зависимость размеров контролируемого пятна от угла сканирования. Предложен алгоритм линеаризации изображения зоны сканирования. Произведен анализ и выбор интерполирующей функции улучшения качества термографического изображения.

Третья глава посвящена разработке алгоритмов работы программного обеспечения и разработке самого программного обеспечения. Описаны алгоритмы работы программного обеспечения систем термографического контроля цилиндрических вращающихся печей, контроля уровня нефтяного кокса в реакторе