Біспектральний телевізійний засіб вимірювання параметрів безтигельної зонної плавки

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

"КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ"

Маркін Максим Олександрович

УДК 621.307.13

БІСПЕКТРАЛЬНИЙ ТЕЛЕВІЗІЙНИЙ ЗАСІБ ВИМІРЮВАННЯ ПАРАМЕТРІВ БЕЗТИГЕЛЬНОЇ ЗОННОЇ ПЛАВКИ

05.11.13 -- Прилади і методи контролю та визначення складу речовин

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2011

ДИСЕРТАЦІЄЮ Є РУКОПИС

Робота виконана на кафедрі наукових, аналітичних та екологічних приладів та систем Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор

Порєв Володимир Андрійович,

Національний технічний університет України "КПІ", завідувач кафедри наукових, аналітичних та екологічних приладів та систем

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Скрипник Юрій Олексійович,

Київський національний університет технологій та дизайну,

професор кафедри автоматизації технологічних процесів та комп'ютерних систем

доктор технічних наук, професор

Стороженко Володимир Олександрович,

Харківський національний університет радіоелектроніки, завідувач кафедри фізики

Захист дисертації відбудеться " 22 " березня 2011 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.26.002.18 при Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут" за адресою:

03056, м. Київ, пр-т Перемоги, 37, навчальний корпус №1, ауд. 293.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут" за адресою: 03056, м. Київ, пр-т Перемоги, 37.

Автореферат розіслано " 14 " лютого 2011 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,__________ Н.І. Бурау

(підпис) (ініціали, прізвище)

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Ефективність більшості високотемпературних технологій, які застосовуються для отримання нових матеріалів та матеріалів із заданими властивостями, може бути забезпечена тільки при дотриманні технологічних вимог, що неможливо без належних технічних засобів вимірювання, які повинні не тільки задовольняти сучасні вимоги щодо точності вимірювання, але й мати значний потенціал вдосконалення своїх характеристик.

Найбільш повно вказаним вимогам відповідають телевізійні засоби вимірювання (ТЗВ) температури шляхом аналізу потоку власного випромінювання в певному спектральному діапазоні (моноспектральні) або шляхом співставлення потоків в кількох спектральних діапазонах (мультиспектральні). Телевізійні засоби є надзвичайно ефективним інструментом теплового неруйнівного контролю, оскільки дозволяють одночасно забезпечити найвищі серед усіх інших інформаційно-вимірювальних засобів показники щодо максимального формату виборки, мінімального часу її формування та просторового розрізнення, що робить їх незамінними в тих випадках, коли саме така сукупність показників є визначальною. Власне, саме моноспектральні телевізійні засоби дозволили вирішити проблему контролю параметрів безтигельної зонної плавки (висота зони плавки та температура поверхні розплаву). Але залишаються невирішеними питання, які важливі з точки зору вимірювання високих температур взагалі та підвищення точності вимірювання параметрів безтигельної зонної плавки телевізійними засобами, зокрема.

Одним із таких питань на сьогодні є проблема створення біспектральних ТЗВ, які потенційно мають значні переваги перед монохроматичними, зокрема, по точності вимірювання температури в умовах дефіциту апріорних даних щодо значень коефіцієнту випромінювальної здатності, що відкриває нові можливості для підвищення вірогідності контролю температурних режимів, а отже, для підвищення якості продукції в високих технологіях, наприклад, в електронно-променевих технологіях отримання надчистих матеріалів та матеріалів із заданими властивостями.

В той же час в науково - технічній літературі відсутні систематизовані дані про телевізійні біспектральні засоби вимірювання, достовірні результати їх використання в науковій чи технологічній практиці. Окремі публікації з цієї тематики не підтверджені обґрунтуванням та дослідженнями технічних характеристик, оцінкою потенційних можливостей тощо.

На сьогодні відсутні адекватні фізичним процесам математичні моделі вимірювального сигналу телевізійного біспектрального пірометра, на базі яких можлива розробка нових методів вимірювання та методик оцінки похибок, відсутні також і достовірні оцінки похибок.

Спроби реалізації переваг біспектральної пірометрії телевізійними засобами одночасно із підвищенням точності вимірювання температури супроводжуються збільшенням похибки вимірювання лінійних розмірів температурних фрагментів, що вимагає як перегляду існуючих підходів до створення телевізійного біспектрального пірометра, так і розробки нових моделей, а також вдосконалення методів вимірювання температури.

Це означає, що фактично сьогодні не створена потенційно найбільш ефективна методологія контролю, можливості якої повністю б відповідали потребам безтигельної зонної плавки.

Все вищенаведене обумовлює актуальність та наукову новизну дисертаційних досліджень, спрямованих на створення ефективного біспектрального телевізійного засобу вимірювання параметрів безтигельної зонної плавки.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась в НТУУ "КПІ" на кафедрі наукових, аналітичних та екологічних приладів і систем (НАЕПС) та в НДІ прикладної електроніки НТУУ "КПІ" у відповідності з планами науково-дослідних робіт: НДР №2968 "Створення наукових засад телевізійної пірометрії" (№ держреєстрації 0106U002856); НДР №395-2007 "Розроблення високоефективного телевізійного пірометра для контролю технології виробництва надчистого кремнію методом електронно-променевої зонної плавки" (№ держреєстрації 0107U007207); НДР 93011/23 "Розробка телевізійного пірометра для контролю температурних режимів в технології трубопрокатного виробництва" (№ держреєстрації 0108U009369); НДР №187 "Розроблення методики застосування телевізійного пірометра для контролю температури в технології виробництва нових зносостійких жароміцних сплавів"; НДР №497-2009 "Розроблення телевізійного мікроскопа з високою роздільною здатністю для металографічних досліджень характеристик композитних матеріалів" (№ держреєстрації 0109U006086); НДР №6/2 "Мультиспектральний телевізійний пірометр для контролю температури в технологіях отримання нових матеріалів" (в рамках VI конкурсу НТУУ "КПІ" студентських та аспірантських робіт).

Мета і завдання дослідження

Мета роботи - підвищення точності вимірювання параметрів безтигельної зонної плавки шляхом вдосконалення біспектральних телевізійних засобів вимірювання.

Об'єкт дослідження - процеси формування і перетворення вимірювального сигналу у біспектральному телевізійному засобі вимірювання.

Предмет дослідження - технічні засоби біспектральної телевізійної пірометрії, а також похибки вимірювання температури та лінійних розмірів температурних фрагментів.

Методи дослідження - математичне моделювання процесу формування вимірювального сигналу, методи теорії похибок та математичної статистики, методи планування та проведення експерименту, методи теорії обробки зображень, методи теоретичної пірометрії.

Для досягнення поставленої мети необхідно розв'язати такі завдання:

1. Дослідження факторів, які визначають точність вимірювання температури в біспектральній пірометрії.

2. Створення математичної моделі вимірювального сигналу телевізійного біспектрального ТЗВ.

3. Розробка та вдосконалення методик оцінки похибок вимірювання температури, обумовлених нерівномірністю чутливості світло-електричного перетворювача (СЕП), похибкою визначення еквівалентної довжини хвилі (ЕкДХ), малими змінами коефіцієнту випромінювальної здатності.

4. Створення методик, пристрою та програмного забезпечення для експериментального дослідження характеристик телевізійного біспектрального пірометра (БСП), які обумовлюють точність вимірювання температури.

5. Розробка і дослідження математичної моделі первинного вимірювального перетворювача ТЗВ.

6. Дослідження схем формування вимірювального сигналу в біспектральній пірометрії та створення на цій основі методу підвищення точності вимірювання лінійних розмірів температурних фрагментів зони плавки.

7. Створення методу підвищення точності вимірювання температури, який передбачає врахування та компенсацію впливу відмінностей в значеннях ЕкДХ різних зон СЕП на точність вимірювання температури.

8. Обґрунтування критерію вибору ПЗЗ-камери для телевізійного БСП, застосування якого забезпечить вимірювання температури спектрального відношення з похибкою, що не перевищує заданої технічним завданням на розробку.

Наукова новизна:

В дисертаційній роботі вирішена важлива науково - практична задача підвищення точності вимірювання параметрів безтигельної зонної плавки шляхом вдосконалення біспектральних ТЗВ.

1. Обґрунтована фізична модель формування вимірювального та вихідного сигналів біспектрального ТЗВ, на базі якої створені математичні моделі вимірювального та вихідного сигналів.

2. Вперше розроблена математична модель первинного вимірювального перетворювача телевізійного БСП, яка дозволила вдосконалити методику оцінки точності вимірювання лінійних розмірів температурних фрагментів.

3. Вперше створено метод підвищення точності вимірювання лінійних розмірів температурних фрагментів зонної плавки, який базується на використанні особливостей будови тришарової ПЗЗ-матриці в схемі формування вимірювального сигналу.

4. Вдосконалено метод вимірювання температури, який передбачає врахування та компенсацію впливу відмінностей в значеннях ЕкДХ різних зон СЕП на точність вимірювання температури.

Практична цінність:

1. Вперше обґрунтовано критерій вибору телевізійної передавальної камери для біспектрального телевізійного засобу вимірювання, який забезпечує вимірювання температури зони плавки із заданою технічним завданням точністю.

2. Вперше отримано аналітичні залежності, які визначають похибку експериментального визначення ЕкДХ біспектрального пірометра, обумовлену похибками вимірювання еталонних сигналів та відносну похибку вимірювання температури, обумовлену похибкою експериментального визначення ЕкДХ.

3. Показано, що при використанні біспектрального телевізійного засобу для контролю параметрів безтигельної зонної плавки похибки вимірювання температури та лінійних розмірів температурних фрагментів зони плавки не перевищують 3 К та 0,1 мм, що повністю відповідає сучасним вимогам.

4. Розроблено лабораторний стенд, методики та програмне забезпечення для експериментального дослідження характеристик біспектрального телевізійного засобу вимірювання.

5. Створений експериментальний зразок біспектрального пірометра на основі ПЗЗ-камери NOVUS NVC-530, для якого визначено діапазон лінійності, ЕкДХ та еквівалентна шуму різниця колірних температур.

Особистий внесок здобувача. Нові наукові результати, які викладені в дисертації та авторефераті, належать особисто автору. В роботах, опублікованих в співавторстві, авторові належить: [3] - обґрунтування підходів до визначення характеристик; [4] - спільна розробка і постановка задачі, обчислювальний алгоритм, участь в експерименті; [5] - обґрунтування і розробка методу; [6] - аналіз джерел методичних похибок; [7] - обґрунтування методу підвищення точності вимірювання за допомогою введення обертальної призми; [8] - обґрунтування методу підвищення точності вимірювання лінійних розмірів температурних фрагментів за допомогою використання тришарової матриці; [11] - розробка методики.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи обговорювались на Міжнародній студентській науково-технічній конференції "Інформатика та комп'ютерні технології", м. Донецьк, 2007 р.; Конференції з іноземної мови "Інновації в науці та техніці", м. Київ, 2007р.; VІІ науково-технічній конференції "ПРИЛАДОБУДУВАННЯ: стан і перспективи", м. Київ, 2008 р.; IV міжнародній науково-технічній конференції "Інформатика та комп'ютерні технології", м. Донецьк, 2008 р.; V Всеукраїнській науково-технічній конференції студентів, аспірантів та молодих науковців "Комп'ютерний моніторинг та інформаційні технології", м. Донецьк, 2009 р.; 2-гій науково-практичній конференції студентів і молодих учених "Методи та засоби неруйнівного контролю промислового обладнання", м. Івано-Франківськ, 2009 р.; ІХ науково-технічній конференції "ПРИЛАДОБУДУВАННЯ 2010: стан і перспективи", м. Київ, 2010 р., а також на наукових семінарах кафедри наукових, аналітичних та екологічних приладів і систем НТУУ "КПІ".

Публікації. Основні наукові результати і положення роботи викладені в 5 статтях в фахових наукових виданнях, 3 патентах України, 10 тезах конференцій.

Структура та обсяг роботи. Робота складається із вступу, 4 розділів, загальних висновків, списку літератури та додатків. Обсяг роботи: 132 сторінки основного тексту, 67 рисунків, 6 таблиць, список літератури - 84 найменування. Загальний обсяг роботи - 161 сторінка.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми і показано, що як сьогодні, так і в реальній перспективі ефективним інструментом комплексного контролю високотемпературних технологій можуть бути телевізійні засоби, що обумовлюється специфікою формування інформаційного сигналу.

Визначені причини, внаслідок яких сьогодні не використовується в повній мірі потенційно найбільш ефективна методологія контролю температури, можливості якої повністю відповідають потребам сучасних високотемпературних технологій, зокрема, технологій отримання нових функціональних матеріалів.

Обґрунтована необхідність вдосконалення методів і засобів телевізійної пірометрії. Сформульовані мета і задачі дослідження. Визначено наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів, показаний зв'язок роботи з науковими програмами.

У першому розділі на основі літературних джерел та з врахуванням результатів виконаних за участю автора експериментальних і теоретичних досліджень проведено аналіз проблеми вимірювання параметрів безтигельної зонної плавки.

Визначено, що найважливішими параметрами, які визначають якість продукту, є висота зони плавки та розподіл температури по її поверхні.

Акцентовано особливе місце телевізійних засобів в проблемі вимірювання параметрів безтигельної зонної плавки і показано, що копіювання науково-технічних рішень, які виявилися ефективними в задачі вимірювання параметрів зони плавки моноспектральними телевізійними засобами, може не дати бажаних результатів.

Виконано дослідження факторів, які обумовлюють реальні характеристики телевізійних засобів вимірювання параметрів безтигельної зонної плавки і, в першу чергу, визначають точність вимірювання температури поверхні об'єкту. Зроблено висновок, що найбільший внесок в сумарну похибку вимірювання температури об'єктів вносять методичні похибки, обумовлені похибкою визначення коефіцієнту випромінювальної здатності.

Виконано дослідження факторів, які визначають точність вимірювання лінійних розмірів температурних фрагментів.

Виконано аналіз шляхів вдосконалення методів і засобів телевізійної пірометрії та обґрунтовано задачі роботи. Показано, що підвищення точності вимірювання параметрів зони плавки неможливе без дослідження та розробки на цій основі досконалих методів і засобів вимірювання.

У другому розділі виконано дослідження особливостей формування сигналу телевізійного БСП, обґрунтована фізична модель формування вимірювального сигналу в мультиспектральному методі пірометрії випромінювання (рис. 1).

На базі фізичної моделі розроблена математична модель вихідного сигналу телевізійного БСП

,(1)

де - температура тіла;

, - коефіцієнти випромінювальної здатності поверхні тіла на довжинах хвиль і відповідно (в класичній моделі

);

- еквівалентна довжина хвилі;

;

, - квазімонохроматичні сигнали, які визначаються наступними співвідношеннями

, (2)

, (3)

де - відносний отвір об`єктиву;

- спектральний коефіцієнт пропускання середовища;

- спектральний коефіцієнт пропускання оптичної системи;

- час комутації;

.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Фізична модель формування вхідного та вихідного сигналів

Вперше проведено дослідження питань, пов'язаних з еквівалентною довжиною хвилі (ЕкДХ) телевізійного біспектрального пірометра. Зрозуміло, що з практичної точки зору важливим етапом метрологічного забезпечення проблеми кількісного аналізу температурних полів є визначення значення ЕкДХ телевізійного БСП, що забезпечує правомірність використання як самої формули Планка, так і тих співвідношень, що з неї випливають, для вимірювання температури реальних об'єктів. Отже, методично обґрунтоване використання БСП для кількісного аналізу температурних полів можливе тільки після експериментального визначення ЕкДХ.

В дисертаційній роботі отримана аналітична залежність, яка може бути використана для визначення ЕкДХ біспектрального пірометра

, (4)

де - відома температура еталонного об'єкта;

і - виміряні експериментально сигнали за умови

.

Розроблена і апробована методика експериментального визначення ЕкДХ, яка базується на використанні еталонної лампи СИ10-300, для якої в діапазоні виконується рівність

.

Вдосконалено методику визначення ЕкДХ шляхом врахування особливості формування вимірювального сигналу. Експериментально встановлена і дістала теоретичне обґрунтування наявність відмінностей в значеннях ЕкДХ для різних зон СЕП телевізійного пірометра.

Запропоновано метод вимірювання температури, який дозволяє підвищити точність вимірювання температури великих об'єктів шляхом компенсації впливу відмінностей в значеннях ЕкДХ в площині СЕП на точність вимірювання.

В розділі обґрунтовано, що математична модель первинного вимірювального перетворювача ТЗВ може бути представлена у вигляді добутку просторово-частотного фільтра об'єктива та просторово-частотного фільтра ПЗЗ-матриці

, (5)

де - просторові частоти за відповідними координатами .

Застосування (5) дозволило вдосконалити методику оцінки точності вимірювання лінійних розмірів температурних фрагментів.

В третьому розділі проведено детальне дослідження похибок вимірювання температури в телевізійній біспектральній пірометрії.

Вперше отримана аналітична залежність, яка в телевізійній біспектральній пірометрії пов'язує відносну похибку вимірювання температури з нерівномірністю N чутливості СЕП БСП

. (6)

безтигельний плавка телевізійний пірометрія

З формули (6) випливає аналітична залежність, яку покладено в основу критерію вибору камери при заданих значеннях похибки і діапазону вимірювання температур

.

При дослідженні впливу похибки визначення ЕкДХ на похибку вимірювання температури було враховано, що еталонні сигнали , виміряні з похибкою, отже, і значення отримано з похибкою

,

де , - похибки вимірювання еталонних сигналів.

Наявність похибки , в свою чергу, обумовлює похибку вимірювання температури

.

Розроблена методика оцінки впливу малих змін коефіцієнту випромінювальної здатності на похибку вимірювання температури, необхідність якої обумовлена тим, що при використанні БСП для вимірювання температури об'єкту, для якого характер залежності апріорно невідомий, може виникнути ситуація, коли

.

Для дослідження впливу малих змін коефіцієнту випромінювальної здатності отримана формула

.

Для малих змін можна записати

.

Оскільки

,

то представивши функцію рядом Маклорена, отримаємо формулу, яка встановлює зв'язок між значенням і абсолютною похибкою вимірювання температури

. (7)

Показано, що при вирішенні телевізійними засобами конкретних задач в оцінках похибки вимірювання лінійних розмірів температурних фрагментів можливі значні розходження, пов'язані із застосуванням різних методик. Класичним підходом до оцінки похибки вимірювання є геометричний підхід, в основу якого покладено поняття елементу розкладу зображення, як частини СЕП, в межах якої двомірна (просторова) функція освітленості інтегрується. При такому підході приймають, що похибка вимірювання не перевищує значення лінійного розміру елементу розкладу зображення по відповідній координаті. Але геометричний підхід годиться для використання в лабораторних умовах, коли об'єктом виступають еталонні джерела.

В той же час до оцінки похибки вимірювання лінійних розмірів температурних фрагментів, крім геометричного, можуть бути застосовані інші підходи, зокрема, просторово-частотний, який базується на аналітичному або графічному розв'язанні рівняння

, (8)

де - функція передачі модуляції телевізійного засобу;

- пороговий контраст у вихідному зображенні;

Але літературні джерела, де використовується просторово-частотний підхід до оцінки похибки вимірювання лінійних розмірів, не враховують особливостей формування порогового контрасту та вимірювального сигналу в ТЗВ.

На основі (5) та (8) отримано рівняння, яке можна використовувати для оцінки похибки вимірювання лінійних розмірів температурних фрагментів

=, (9)

де - вхідний контраст;

- радіус плями розсіяння об'єктиву;

- лінійний розмір піксела ПЗЗ-матриці;

, - відношення сигнал/шум при освітленості ПЗЗ-матриці та порогове, при якому забезпечується задана імовірність реєстрації сигналу .

Фактично такий підхід до оцінки похибки вимірювання лінійних розмірів є розвитком геометричного підходу, оскільки базується на положенні про неможливість дискретизації функції освітленості в межах елементу розкладу зображення. Але в цьому випадку мова йде не про технологічні параметри елементу розкладу зображення, а про деяке ефективне значення , яке визначається з рівняння (9) як величина, обернена до просторової частоти , на якій коефіцієнт передачі контрасту дорівнює пороговому. Оскільки в більшості реальних задач, для вирішення яких застосовуються телевізійні БСП, , то завжди . Отже, реально похибки вимірювання лінійних розмірів температурних фрагментів перевищують значення, які отримані при геометричному підході, тому наша методика забезпечує зменшення похибки вимірювання розмірів.

Виконано дослідження порогового контрасту у вихідному зображенні і встановлено, що пороговий контраст є складною функцією просторової частоти, яка за результатами експериментальних досліджень була апроксимована наступним чином

Графічне розв'язання рівняння (9) показано на рис. 2. Графік функції побудовано для = 0,2 мкм, = 12 мкм (типова сучасна кольорова камера).

Згідно з попередньою методикою, яка не враховує залежності порогового контрасту від просторової частоти, точка перетину знаходиться на = 74 мм^-1. За нашою методикою, яка враховує зміну порогового контрасту зі збільшенням просторової частоти, точка перетину знаходиться на = 67 мм^-1. Отже, похибка зменшилась майже на 10%.

Рис. 2. Розрахункова ФПМ ПЗЗ-матриці та апроксимована крива порогового контрасту

Розроблений і запатентований телевізійний БСП з використанням тришарової ПЗЗ-матриці (рис. 3), застосування якого дозволяє зменшити похибку вимірювання лінійних розмірів температурних фрагментів.

Рис. 3. Структурна схема біспектрального телевізійного пірометра на основі тришарової матриці: 1 - об'єкт; 2 - об'єктив; 3 - передавальна камера; 4 - тришарова матриця; 5 - формувач сигналу; 6 - пристрій введення відеосигналу; 7 - ПК

Встановлено, що застосування нових технічних рішень схем формування вимірювального сигналу та нового методу вимірювання дозволяє зменшити похибки вимірювання лінійних розмірів температурних фрагментів, що надзвичайно важливо при вимірюванні параметрів зони розплаву (рис. 4) в технології безтигельної зонної плавки. При цьому біспектральний пірометр, який має просторову роздільну здатність одного порядку з аналогічною характеристикою моноспектрального пірометра, дозволить вимірювати температуру принаймні в трьох точках ділянки кристалізації.

В четвертому розділі обґрунтовані задачі експериментальних досліджень і показано, що в рамках сучасної технології створення ТЗВ підвищення їх точнісних характеристик неможливе без розробки відповідного метрологічного забезпечення та визначення характеристик, які не паспортизуються виробниками телевізійних камер на ПЗЗ-матрицях, але є важливими з точки зору їх застосування як засобів вимірювання (зокрема, ЕкДХ та еквівалентна шуму різниця температур спектрального відношення).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4. Цифрове зображення зони плавки:

h₂ > h₁ > h₃ - висоти зони плавки по периметру розплавленої зони

Для дослідження вказаних характеристик були розроблені відповідні методики та створений лабораторний стенд (рис. 5).

Рис. 5. Загальний вигляд стенду для дослідження характеристик БСП:

1 - лампа СИ10-300; 2 - стабілізоване джерело живлення; 3 - камера; 4 - об'єктив; 5 - спеціалізований обчислювальний блок; 6 - монітор

Розроблені методики враховують базові положення концепції використання телевізійних камер в інформаційно-вимірювальній техніці і передбачають роботу в діапазоні лінійності.

При дослідженні спектральної характеристики БСП в склад стенду додатково був введений монохроматор УМ-2.

В процесі експериментальних досліджень виявлена задовільна збіжність між розрахунковими та практичними значеннями і отримані такі результати.

Експериментально визначено діапазон лінійності (рис. 6), а також робоча ділянка спектральної характеристики (рис. 7) БСП на основі камери NOVUS NVC-530.



Рис. 6. Світлосигнальні характеристики окремих каналів БСП на основі камери NOVUS NVC-530:

1 - на довжині хвилі 0,58 мкм; 2 - на довжині хвилі 0,60 мкм, ДЛ - діапазон лінійності

Рис. 7. Ділянка спектральної характеристики БСП:

1 - нормована спектральна характеристика БСП на основі ПЗЗ-камери NOVUS NVC 530; 2 - спектральна характеристика світлофільтра з довжиною хвилі пропускання 0,58 мкм; 3 - спектральна характеристика світлофільтра з довжиною хвилі пропускання 0,60 мкм

Проведені експериментальні дослідження підтвердили теоретичні висновки про те, що значення ЕкДХ можуть виявитися різними для різних зон СЕП. Врахування цієї обставини дозволяє зменшити похибку вимірювання температури температурних фрагментів, зображення яких займають значну частину матриці, зокрема, таких як зона плавки (рис. 4).

В ході експериментальних досліджень показано, що при використанні біспектрального телевізійного засобу для контролю параметрів безтигельної зонної плавки похибки вимірювання температури фрагментів зони плавки не перевищуватимуть 3 К, а лінійних розмірів 0,1 мм. Отриманий результат повністю відповідає сучасним вимогам до вимірювання параметрів безтигельної зонної плавки.

В цілому, експериментальні дослідження підтвердили адекватність математичних моделей формування сигналів та розроблених на їх основі методик оцінки результатів вимірювання.

В ході експериментів накопичено також значний обсяг експериментального матеріалу щодо формування сигналів не тільки в ТЗВ параметрів зонної плавки, але і в телевізійних засобах іншого призначення, зокрема, в телевізійних пірометрах, які можуть бути застосовані для контролю температурних режимів в технологіях трубопрокатного виробництва, в телевізійних приладах для контролю якості продуктів харчування, в телевізійних приладах екологічного моніторингу, в телевізійній мікроскопії тощо.

У додатках наведені акти впровадження результатів роботи в навчальний процес кафедри НАЕПС, а також в науково - дослідні роботи, що проводилися в НТУУ "КПІ". Також у додатках наведено лістинг вихідного коду програмного забезпечення обробки результатів вимірювань.

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі вирішена важлива науково - практична задача підвищення точності вимірювання параметрів безтигельної зонної плавки шляхом вдосконалення біспектральних ТЗВ.

1. Обґрунтована фізична модель формування вимірювального та вихідного сигналів біспектрального ТЗВ, на базі якої створені математичні моделі вимірювального та вихідного сигналів.

2. Вперше розроблена математична модель первинного вимірювального перетворювача біспектрального ТЗВ, яка дозволила вдосконалити методику оцінки точності вимірювання лінійних розмірів температурних фрагментів.

3. Вперше створено метод підвищення точності вимірювання лінійних розмірів температурних фрагментів зонної плавки, який базується на використанні особливостей будови тришарової ПЗЗ-матриці в схемі формування вимірювального сигналу.

4. Вдосконалено метод вимірювання температури, який передбачає врахування та компенсацію впливу відмінностей в значеннях ЕкДХ різних зон СЕП на точність вимірювання температури.

5. Вперше обґрунтовано критерій вибору телевізійної передавальної камери для біспектрального ТЗВ, який забезпечує вимірювання температури зони плавки із заданою технічним завданням точністю.

6. Показано, що при використанні біспектрального телевізійного засобу для контролю параметрів безтигельної зонної плавки похибки вимірювання температури фрагментів зони плавки не перевищуватимуть 3 К, а лінійних розмірів 0,1 мм, що повністю відповідає сучасним вимогам.

7. Створений експериментальний зразок біспектрального пірометра на основі ПЗЗ-камери NOVUS NVC-530 та лабораторний стенд, методики і програмне забезпечення для експериментального дослідження його характеристик.

8. Отримано формули, які визначають похибку експериментального визначення ЕкДХ біспектрального пірометра, обумовлену похибками вимірювання еталонних сигналів та відносну похибку вимірювання температури, обумовлену похибкою експериментального визначення ЕкДХ.

9. Розроблені в дисертації методи і програмне забезпечення та результати дослідження характеристик біспектрального телевізійного засобу вимірювання використані при виконанні НДР №2968, №395-2007, №93011/23, №497-2009, №187, НДР №6/2, про що складений відповідний акт.

10. Матеріали дисертаційної роботи використані в навчальному процесі Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут" при формуванні робочої навчальної програми дисципліни "Телевізійні інформаційно-вимірювальні системи", що підтверджено відповідним актом.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Маркін М.О. Похибки вимірювання температури в біспектральній пірометрії / М.О.Маркін, В.А.Порєв // Наукові праці ДонНТУ, Серія "Обчислювальна техніка та автоматизація", - 2010. - Вип. 20 (135)

Розроблена математична модель вимірювального сигналу біспектрального телевізійного засобу вимірювання.

2. Маркін М.О. Біспектральний телевізійний прилад контролю високотемпературних технологій / М.О.Маркін, В.А.Порєв // Методи та прилади контролю якості. - 2009. - №23. - С. 102-105.

Показано потенційні переваг біспектрального телевізійного пірометра.

3. Маркін М.О. Оцінка похибки вимірювання геометричних параметрів за допомогою телевізійних інформаційно-вимірювальних систем / М.О.Маркін, О.М.Маркіна // Вісник НТУУ "КПІ". Серія приладобудування, - 2009. - Вип. 38. - С. 102-106.

Розроблена математична модель первинного вимірювального перетворювача телевізійного пірометра та обґрунтовано метод підвищення точності вимірювання лінійних розмірів температурних фрагментів зонної плавки.

4. Маркін М.О. Мультиспектральні телевізійні прилади контролю високотемпературних технологій / М.О.Маркін, Г.М.Згуровський, В.А.Порєв, Є.О.Бєлорусов, І.В.Бойко // Восточно-европейский журн. передовых технологий. - 2006. - №4/2 (22). - С. 34-39.

Виконано аналіз проблем біспектральної телевізійної пірометрії та обґрунтовано метод вимірювання температури, який передбачає врахування впливу нерівномірності чутливості різних зон СЕП на точність вимірювання температури.

5. Маркін М.О. Вплив еквівалентної довжини хвилі на точність біспектрального телевізійного пірометра / М.О.Маркін, В.А.Порєв, О.М.Маркіна // Наукові праці ДонНТУ, Серія "Обчислювальна техніка та автоматизація". - 2007. - Вип. 14 (129). - С. 196-199.

Виконано аналіз впливу еквівалентної довжини хвилі на точність біспектрального телевізійного пірометра та обґрунтовано методику визначення еквівалентної довжини хвилі.

6. Пат. 20455 України, МПК (2006) H04N 7/00. Біспектральний телевізійний пірометр / Маркін М.О., Порєв В.А., Янушкевич О.В.; заявник НТУУ "КПІ". - № u200609021, подано 14.08.2006; опубл. 15.01.2007, Бюл. № 1/2007. 4 с.: іл.

Обґрунтована структурна схема приладу та запропонована формула винаходу.

7. Пат. 38910 України, МПК (2006) H04N 7/00. Мультиспектральний телевізійний пірометр / Маркін М.О., Порєв В.А., Маркіна О.М.; заявник НТУУ "КПІ". - № u200810067, подано 04.08.2008; опубл. 26.01.2009, Бюл. № 2/2009. -4 с.: іл.

Обґрунтована структурна схема приладу та запропоновано принцип дії.

8. Пат. 44655 України, МПК (2006) H04N 7/00. Мультиспектральний телевізійний пірометр на основі тришарової матриці / Маркін М.О., Порєв В.А., Маркіна О.М.; заявник НТУУ "КПІ". - № u200904336, подано 30.04.2009; опубл. 12.10.2009, Бюл. № 19/2009. - 4 с.: іл.

Обґрунтована структурна схема приладу, запропоновано принцип дії та формула винаходу.

9. Маркін М.О. Підвищення точності мультиспектральних телевізійних пірометрів / М.О.Маркін // Інформатика та комп'ютерні технології : міжнар. студ. наук.-техн. конф., 11 -13 грудня 2007 р. - Донецьк, 2007. - С. 574-575.

10. Markin M. Equivalent wave-length of bispectral television pyrometer / M.Markin, O.Markina // Innovations in Science and Technology : foreign language conference, 25.03.2008 - K., 2007. - P.14 -16.

Виконано аналіз впливу еквівалентної довжини хвилі на точність біспектрального телевізійного пірометра, виконано переклад.

11. Маркін М.О. Дослідження похибок мультиспектрального телевізійного пірометра / М.О.Маркін // ПРИЛАДОБУДУВАННЯ: стан і перспективи : VІІ наук.-техн. конф., 22 - 23 квітня 2008 р. - К., 2008. - С. 162.

12. Маркін М.О. Еквівалентна довжина хвилі біспектрального телевізійного пірометра / М.О.Маркін // ПРИЛАДОБУДУВАННЯ: стан і перспективи : VІІ наук.-техн. конф., 22 - 23 квітня 2008 р. - К., 2008. - С. 163.

13. Маркін М.О. Оцінка точності вимірювання геометричних параметрів за допомогою телевізійних інформаційно-вимірювальних систем / М.О.Маркін // Інформатика та комп'ютерні технології : IV міжнар. студ. наук.-техн. конф., 25 - 27 листопада 2008 р. - Донецьк, 2008. - С. 486-488.

14. Маркін М.О. Метрологічні аспекти мультиспектральної телевізійної пірометрії / М.О.Маркін // Комп'ютерний моніторинг та інформаційні технології : V Всеукр. наук.-техн. конф. студ., асп. та молодих науковців, 11 - 15 травня 2009 р. - Донецьк, 2009. - С. 56-57. - На компакт диску.

15. Маркін М.О. Лабораторний стенд для експериментального визначення еквівалентної шуму різниці колірних температур / М.О.Маркін // Методи та засоби неруйнівного контролю промислового обладнання: ІІ-га наук.-практ. конф. студ. і молодих учених, 25-26 листопада 2009 р. - Івано-Франківськ, 2009. - С.84-86.

16. Маркін М.О. Вдосконалення методів і засобів біспектральної пірометрії / М.О.Маркін // ПРИЛАДОБУДУВАННЯ 2010: стан і перспективи : ІХ наук.-техн. конф, 27 - 28 квітня 2010 р. - К., 2010. - С. 147-148.

17. Маркін М.О. Лабораторний стенд для експериментального визначення спектральної характеристики ПЗЗ-матриці камери / М.О.Маркін, О.М.Маркіна // ПРИЛАДОБУДУВАННЯ 2010: стан і перспективи : ІХ наук.-техн. конф, 27 - 28 квітня 2010 р. - К., 2010. - С. 148-149.

Розроблено лабораторний стенд, методики та програмне забезпечення для експериментального дослідження характеристик БСП.

18. Маркін М.О. Математична модель вихідного сигналу біспетрального телевізійного пірометру / М.О.Маркін // ПРИЛАДОБУДУВАННЯ 2010: стан і перспективи : ІХ наук.-техн. конф, 27 - 28 квітня 2010 р. - К., 2010. - С. 149-150.

АНОТАЦІЯ

Маркін М.О. Біспектральний телевізійний засіб вимірювання параметрів безтигельної зонної плавки. - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.13 - Прилади і методи контролю та визначення складу речовин. - Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", м. Київ, 2011.

Дисертація присвячена створенню біспектрального телевізійного засобу вимірювання параметрів зонної плавки. Проведено дослідження особливостей формування сигналу, обґрунтована фізична модель формування вимірювального сигналу, на базі якої розроблена математична модель вихідного сигналу телевізійного засобу. Розроблена і апробована методика експериментального визначення еквівалентної довжини хвилі, яка базується на використанні еталонної лампи СИ10-300, та запропоновано метод вимірювання температури, який дозволяє підвищити точність вимірювання температури великих об'єктів. Проведено дослідження похибок вимірювання температури в телевізійній біспектральній пірометрії. Розроблена методика оцінки впливу малих змін коефіцієнту випромінювальної здатності на похибку вимірювання температури. Розроблений і запатентований телевізійний біспектральний пірометр з використанням тришарової ПЗЗ-матриці, застосування якого дозволяє зменшити похибку вимірювання лінійних розмірів температурних фрагментів. Представлено результати експериментальних досліджень телевізійного біспектрального пірометру на основі камери NOVUS NVC-530.

Ключові слова: телевізійна вимірювальна система, телевізійний пірометр, еквівалентна довжина хвилі, пзз-матриця, безтигельна зонна плавка.

АННОТАЦИЯ

Маркин М.А. Биспектральное телевизионное средство измерения параметров безтигельной зонной плавки. - Рукопись. Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.11.13 - Приборы и методы контроля и определения состава веществ. - Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", г. Киев, 2011.

Диссертация посвящена созданию биспектрального телевизионного средства измерения параметров зонной плавки. Эта проблема решена путем введения трехслойной ПЗС-матрицы. В диссертационной работе проведено исследования особенностей формирования сигнала, обоснована физическая модель формирования измерительного сигнала, на базе которой разработана математическая модель выходящего сигнала телевизионного средства.

В диссертационной работе проведены исследование вопросов, связанных с эквивалентной длиной волны биспектрального телевизионного пирометра. Полученная формула, которая может быть использована для определения эквивалентной длины волны биспектрального телевизионного пирометра. Разработана и апробирована методика экспериментального определения эквивалентной длины волны, которая базируется на использовании эталонной лампы СИ10-300. Предложен метод измерения температуры, который позволяет повысить точность измерения температуры больших объектов путем компенсации влияния отличий в значениях эквивалентной длины волны в плоскости СЭП на точность измерения.

Проведено исследование погрешностей измерения температуры в телевизионной биспектральной пирометрии.

Разработана методика оценки влияния малых изменений коэффициента излучающей способности на погрешность измерения температуры.

Получено аналитическую зависимость, которую можно использовать для оценки погрешности измерения линейных размеров температурных фрагментов.

В диссертационной работе получена аналитическая зависимость, которая в телевизионной пирометрии связывает относительную погрешность измерения температуры и неравномерность чувствительности светоэлектрического преобразователя телевизионного биспектрального пирометра.

Выполнено исследования порогового контраста и установлено, что пороговый контраст в исходном изображении является сложной функцией пространственной частоты. По результатам экспериментальных исследований была получена аппроксимация порогового контраста.

Разработан и запатентован биспектральный телевизионный пирометр с использованием трехслойной ПЗС-матрицы, применение которого позволяет уменьшить погрешность измерения линейных размеров температурных фрагментов.

Установлено, что использование новых технических решений схем формирования измерительного сигнала и нового метода измерения позволяет уменьшить погрешности измерения линейных размеров температурных фрагментов, что чрезвычайно важно при измерении параметров зоны расплава в технологии безтигельной зонной плавки. При этом биспектральный пирометр, который имеет пространственную разрешающую способность одного порядка с аналогичной характеристикой моноспектрального пирометра, позволит измерять температуру по крайней мере в трех точках области кристаллизации.

Экспериментально определен диапазон линейности, а также рабочий участок спектральной характеристики биспектрального телевизионного пирометра на основе камеры NOVUS NVC-530. В ходе экспериментальных исследований обосновано, что при использовании биспектрального телевизионного средства для контроля параметров безтигельной зонной плавки погрешности измерения температуры фрагментов зоны плавки не будут превышать 3 К, что полностью отвечает современным требованиям.

В ходе экспериментальных исследований накоплен также большой объем экспериментального материала относительно формирования сигналов не только в телевизионном средстве измерения параметров зонной плавки, но и в телевизионных средствах другого назначения, в частности, в телевизионных пирометрах, которые могут быть использованы для контроля температурных режимов в технологиях трубопрокатного производства, в телевизионных приборах для контроля качества продуктов питания, в телевизионных приборах экологического мониторинга, в телевизионной микроскопии и т.п.

Ключевые слова: телевизионная измерительная система, телевизионный пирометр, эквивалентная длинна волны, пзс-матрица, безтигельная зонная плавка.

ABSTRACT

Markin M.O. Bispectral televisional instrument for measuring the parameters of melting zone. - Manuscript. Thesis for the candidate of technical science degree in the specialty 05.11.13 - devices and methods of the substance structure monitoring and definition - National Technical University of Ukraine "Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2011.

The thesis is devoted to the televisional bispectral instrument creation for measuring the melting zone parameters. The studies of the signal forming features were held. Physical model of the measuring signal was justified, based on which the mathematical model of the televisional instrument output signal was obtained. The method of experimental determination of the equivalent wavelength which is based on the use of СИ10-300 standard lamps was developed and approved. The method of temperature measurement which increases the accuracy of the large objects temperature measurement was proposed. A study of temperature measurement errors in the televisional bispectral pyrometer was held. The technique of the small changes assessment of the radiating ability ratio on the temperature measurement error was developed. A televisional bispectral pyrometer with using of the three-layer CCD witch reduces the error of measurement of the temperature fragments linear dimensions was developed and patented. The results of experimental researches of the televisional bispectral pyrometer based on NOVUS NVC-530 camera are presented.

Key words: television measuring system, a television pyrometer, the equivalent wavelength, CCD, melting zone technique.

Підписано до друку 10.02.2011 р. Формат 60х90 1/16.

Папір офсетний. Умовн. др. арк. 0,9. Друк різограф. Тираж 100 прим. Зам. № 1002/01. Підприємство УВОІ "Допомога" УСІ"

Свідоцтво про державну реєстрацію №531018 03056, м. Київ, пров. Політехнічний 6, корп. 5 (КПІ) Тел.: 277-41-46

Размещено на Allbest.ru