1. Техническое описание системы СТК-1.
1.1. Назначение системы СТК-1.
Система тепловизионного контроля предназначена для дистанционной визуализации тепловых полей в реальном времени, их регистрации и хранения в виде изображений. Система обеспечивает получение, хранение и математическую обработку температурных профилограмм и работу одного или двух приборов на один компьютер (IBM).
1.2. Технические характеристики системы СТК-1.
— Диапазон контролируемых температур — 150 – 500 °С
— Сектор зоны сканирования — 100°
— Диапазон рабочих температур — от -30 до +55 °С
— Приведённая погрешность — 3 %
— Разрядность аналого-цифрового преобразователя — 10
— Показатель визирования — 1 : 35
— Площадь контролируемой точки с расстояния в 5 метров не более — 200х200 мм
— Программное обеспечение в среде — WINDOWS
— Интерфейс связи с ПЭВМ — RS-232
— Напряжение питания — 220 В
— Тип чувствительного к инфракрасному излучению элемента — ФР-611
— Спектральный интервал — 2,5 — 5,5 мкм
— Частота сканирования — 4 Гц
— Габариты пирометрического преобразователя — 220х275х95 мм
— Вес преобразователя не более — 5 кг
— Длина соединительной линии — 2 км
Связь преобразователей с компьютером по двухпроводной токовой петле с оптико-электронной развязкой на входе компьютера.
В системе предусмотрены задания на подачу звуковой сигнализации при превышении температур выше заданной установки и при несанкционированном ее отключении.
1.3. Устройство и принцип действия системы СТК-1.
Система представляет собой программно-аппаратный комплекс, состоящий из шести пирометрических преобразователей типа СТ-1, программы обработки и визуализации поля температур и адаптера канала связи.
С помощью пирометрического преобразователя осуществляется сканирование сектора зоны обзора около 100° (рисунок 1) таким образом, что он регистрирует инфракрасное излучение, испускаемое стенкой корпуса реактора вдоль линии, параллельной оси визирования. Таким образом, температура по всей длине зоны сканирования считывается за 250 миллисекунд и выводится на экран монитора в виде строчки, в которой величине
Рисунок 1. Функциональная схема системы тепловизионного контроля.
1 – реактор; 2 – щель в теплоизоляции; 3,4 – пирометрический преобразователь СТ-1; 5 – IBM-компьютер; 6 – адаптер канала связи.
температуры соответствует определенный цвет. Функциональная схема тепловизионного контроля стенки корпуса реактора приведена на рисунке 1.
Функциональная схема первичного пирометрического преобразователя приведена на рис. 2. Она состоит из электромеханического сканера (ЭМС), включающего в себя элементы 1, 2, 3, 4, 5; приемника излучения (ПИ),состоящего из устройств 7, 6, 8; блока цифровой обработки (БЦО), представленного схемами 9, 10, 11, 12, 13, 14; двухпроводной линии связи (ЛС); адаптера канала связи (АКС) и источника питания (ИП).
Работа прибора системы СТК-1.
Лучистый поток Ф от стенки корпуса печи пропорциональный ее температуре попадает на зеркало 1 блока ЭМС, вращаемого со скоростью ω = 4 об/с двигателем постоянного тока 5. Вращающееся зеркало обеспечивает сканирование лучистого потока вдоль корпуса печи. Поток, отражаясь от зеркала, попадает через диафрагмирующие отверстие на фотоприемник блока ПИ, включенный в электрическую схему 6. Блок ЭМС содержит также оптико-электронный датчик 2 скорости вращения зеркала с электронной схемой 4 стабилизации этой скорости. Оптико-электронный датчик 3 служит для снятия сигнала о положении зеркала относительно зоны обзора и через электронную схему 8 блока ПИ обеспечивает синхронизацию работы ключей блока ПИ и тактирования приемо-передачи данных в блоке БЦО.
Рисунок 2. Функциональная схема пирометрического преобразователя
Схема 7 блока ПИ обеспечивает термостабилизацию нуля и чувствительности приемника излучения.
Аналоговый сигнал с выхода приемника излучения поступает на аналого-цифровой 10 — разрядный преобразователь (АЦП) 9, с выхода которого параллельный код поступает на схему хранения 12 блока цифровой обработки. Запоминание сигналов необходимо для согласования скорости приема и передачи данных в виде 160 12-ти разрядных слов на одну строку. Со схемы хранения сигналы передаются в регистр сдвига 13, обеспечивающий преобразование параллельного кода в последовательный асинхронный. Далее при помощи парафазного усилителя-преобразователя 14 сигналы в виде токовых посылок («токовая петля») попадают в линию связи ЛС. На вход последовательного порта ЭВМ сигналы поступают через оптико-электронный преобразователь адаптера канала связи АКС, обеспечивающий гальваническую развязку линии связи с компьютером. Электронная схема 10 обеспечивает тактирование процессов выборки-хранения сигналов. Кварцевый генератор 11 обеспечивает синхронизацию работы всех электронных блоков и узлов.
Питание всех электронных блоков осуществляется от источника питания ИП, обеспечивающего стабильные напряжения ±15 В и 5 В от сети переменного тока 220 В.
Конструктивно пирометрические преобразователи выполнены в стальных корпусах размерами 220х275х95 мм. На лицевой панели имеется щелевое отверстие размерами 120х15 мм, защищенное фторопластовой пленкой типа Ф-4ЭО (ГОСТ 12507-73) толщиной 0,02 мм и шириной 50 мм.
Внутри корпуса смонтированы узлы электромеханического сканирования и печатные платы электронных схем.
2. Инструкция по эксплуатации системы СТК-1.
Подготовка системы тепловизионного контроля к работе.
2.1.1. После ознакомления с настоящей инструкцией необходимо произвести монтаж пирометрических преобразователей на реакторах в соответствии с функциональной схемой рис. 1. Пирометрические преобразователи необходимо установить приблизительно на расстоянии 1/2 от требуемой длины зоны обзора. Например, для контроля за длинной 10 метров преобразователь необходимо установить на расстоянии от реактора около 5 метров. Возможно также установка преобразователей под различными углами к плоскости зоны сканирования. После установки преобразователей значения расстояния до реактора и углы поворотов необходимо ввести в файлы конфигураций программного обеспечения.
2.1.2. Произвести монтаж и подключение пирометрических преобразователей в соответствии со схемой электрических подключений, представленной в Приложении.
2.1.3. Установить на IBM компьютер программное обеспечение.
2.2. Инструкция по работе с программным обеспечением системы под операционной системой WINDOWS системы СТК-1
2.2.1. Установка программного обеспечения
2.2.1.1. Переписать файлы с установочного компакт-диска на жесткий диск.
2.2.1.2. После установки системы настроить файл конфигурации.
2.2.2. Начало работы
Запустить файл pirometr.exe. При работе с программой желательно закрыть все работающие приложения в избежания потери информации.
После запуска программы на экране представлена следующая информация (рисунке 3):
— Шкала соответствия температура-цвет
— Экран вывода температурного поля (в виде реактора)
— График температуры по высоте реактора
— Горизонтальные курсоры
— Текущие дата и время
— Кнопка выхода в архив
— Кнопки изменения времени в режиме архива
— Кнопка фиксации графика
— Кнопка отмены фиксации графика
— Температура реактора на высоте обозначенной соответствующим курсором (высота указана в скобках)
— Время записи в архив
— Высота кокса
После запуска программа начинает автоматически выводить температурное поле. Запись информации происходит автоматически через промежуток времени указанный в файле конфигурации. Для изменения положения курсоров необходимо подвести курсор «мыши» к интересующему месту (внутри изображения реактора) и нажать левую кнопку «мыши» для изменения красного курсора или правую кнопку «мыши» для изменения зеленого курсора.
Рисунок 3. Иллюстрация визуализации результатов термографирования
2.2.3 Работа с архивом
Для выхода в архив необходимо нажать кнопку «Архив». Затем необходимо выбрать интересующий месяц и день. Для изменения времени необходимо подвести курсор «мыши» к кнопке «стрелка вверх», для увеличения времени, или к кнопке «стрелка вниз» для уменьшения времени, и нажать левую кнопку «мыши», для ускоренного изменения времени необходимо нажать кнопку с двойными стрелками. Для фиксации графика в интересующий момент времени необходимо нажать кнопку «Принять», после чего на экране появится второй график красного цвета, а график черного цвета показывает распределение температурного поля в выбранное время. Время соответствующие графику черного цвета отображается черным цветом, время соответствующие графику красного цвета отображается красным цветом. Для выхода из архива необходимо вторично нажать кнопку «Выход из архива».
Выход из программы осуществляется одновременным нажатием на клавиши Alt и F4.
2.2.4 Редактирование файла конфигурации
Для установки номера прибора необходимо отредактировать файл setup.cfg. Файл setup.cfg представляет собой текстовый файл в ASCII формате и имеет следующий вид:
— Первая цифра – номер первого пирометрического преобразователя
— Вторая цифра – номер второго пирометрического преобразователя
— Третья цифра – номер реактора первого пирометрического преобразователя
— Четвертая цифра – номер реактора второго пирометрического преобразователя
Если преобразователь один, то в первая и вторая цифра должны быть одинаковые.
Файл конфигурации представлен файлом piro_N.cfg, где N – номер пирометрического преобразователя. Он представляет собой текстовый файл в ASCII формате и имеет следующий вид:
Первая цифра – номер СОМ порта
Вторая цифра – полярность
Третья цифра – максимальная температура в °С
Четвертая цифра – максимальная температура в °С
Пятая цифра — расстояние до реактора по нормали в м
Шестая цифра – длина обзора влево в м
Седьмая цифра – длина обзора вправо в м
Восьмая цифра – угол поворота пирометрического преобразователя в градусах
С Девятой по девятнадцатую – метры реактора
Двадцатая – настроечный код
Двадцать первая – коэффициент черноты
Двадцать вторая – размер буфера
Двадцать третья – настроечный угол в градусах
Двадцать четвертая – угол обзора пирометрического преобразователя в градусах
Двадцать пятая – период записи в минутах
Двадцать шестая – путь в архив
Для редактирования файла конфигурации необходимо войти в Norton Commander, подвести курсор к файлу конфигурации (например, piro_17.cfg) и нажать клавишу F4. После этого на экран выводится файл конфигурации. Затем, изменив необходимые параметры, записать файл конфигурации, нажав клавишу F2. Для выхода из редактирования файла конфигурации необходимо нажать клавишу F10 или Esc.
3. Паспорт системы СТК-1.
3.1 Свидетельство о приемке и поверке (калибровке) системы СТК-1.
3.2 Комплектность системы СТК-1.
В комплект системы входят:
Пирометрический преобразователь СТ-1 — 6 шт.
Адаптер канала связи — 3 шт.
Монтажная арматура крепления пирометрического преобразователя с поворотной платформой в сборе — 6 шт.
Шнур сетевой с разъёмом типа 2РМ14К4Г1В1 — 6 шт.
Шнур подключения адаптера канала связи разъёмом типа 2РМ14К4Ш1В1 — 6 шт
Программное обеспечение на компакт-диске — 1 шт.
Запасная защитная пленка длинной — 1 м
Паспорт, техническое описание и инструкции по эксплуатации — 6 экз.
3.3 Гарантийное обязательство системы СТК-1.
Изготовитель гарантирует соответствие системы техническим условиям в течении 12 месяцев со дня ввода в эксплуатацию, при соблюдении потребителем условий эксплуатации.
При получении системы тепловизионного контроля потребитель должен ввести ее в эксплуатацию с составлением и отправкой в адрес изготовителя акта ввода системы в эксплуатацию в случае, если при вводе в эксплуатацию возникают затруднения, потребитель обязан поставить в известность изготовителя, который в месячный срок должен оказать помощь по введению системы в эксплуатацию.
К работе с системой допускаются операторы, изучившие техническое описание и порядок эксплуатации системы.
В период гарантийного срока изготовитель безвозмездно устраняет все неисправности, происшедшие по его вине.
4. Методика поверки пирометрических преобразователей СТ-1 тепловизионной системы типа СТК-1
4.1 Область применения системы СТК-1
Настоящая методика распространяется на пирометрические преобразователи тепловизионной системы типа СТК-1 и устанавливает методику их первичной и периодической поверок при эксплуатации приборов потребителем. Периодическая поверка производится не реже раза в 1 год и после ремонта.
4.2 Нормативные ссылки.
В настоящей методике использованы ссылки на следующие стандарты:
ГОСТ Р 8.566-96 «ГСИ. Излучатели эталонные (образцовые) в виде моделей абсолютно чёрного тела для диапазона температур от минус 50 до плюс 2500°С. Методика аттестации и поверки»
ГОСТ 8.106-80 «ГСИ. Государственный специальный эталон и общесоюзная поверочная схема для средств измерений энергетической яркости и силы излучения тепловых источников с температурой от 220 до 900К»
ГОСТ 8.558-93 «ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерения температуры»
Методика разработана на основе рекомендаций ГП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» «Государственная система обеспечения единства измерений. Приборы тепловизионные», С.- Петербург, 1999 г.
4.3 Операции и средства поверки системы СТК-1.
Для проведения поверки выполняются операции и применяется оборудование, приведённое в таблице 4.1.
Таблица 4.1.Перечень операций и средств измерения, применяемых при поверке пирометрических преобразователей
|
Наименование операций |
Номера разделов |
Средства поверки и их Нормативно-технические характеристики |
Обязательность проведения операций | |||
| при выпуске из
производства |
после
ремонта |
при
периодической поверке |
||||
| как типа | единичный
экземпляр |
|||||
| 1. Внешний
осмотр |
4.5 | — | да | да | да | да |
| 2. Опробование | 4.6 | — | да | да | да | да |
| 3. Проверка диапазона и определение погрешности измерения температуры | 4.7 | Эталонный (образцовый) протяжённый излучатель с регулируемой в преде-лах диапазона темпера-турой. Для диапазона температур от минус 50 до плюс 80°С довери-тельная погрешность излучателя 0,6 К при доверительной вероят-ности 0,95. Для диапазо-на от 0 до 2500°С доверительная погреш-ность излучателя 0,5 К при температуре 0°С и 7,5°С при температуре 2500°С при доверитель-ной вероятности 0,95.
Проверка излучателя в соответствии с ГОСТ Р 8.566-96. |
да | да | да | да |
| 4. Определение порога темпера-турной чувстви-тельности | 4.8 | Два эталонных (образцо-вых) протяжённых излу-чателя по п.3. | да | да | да | да |
| 5. Проверка стабильности показаний | 4.9 | По п.3. | да | да | да | да |
| 6. Проверка углового (линейного) разрешения | 4.10 | Эталонный (образцовый) протяжённый излучатель и набор тепловых мир. | да | да | да | нет |
4.4 Условия поверки системы СТК-1.
При проведении должны быть соблюдены следующие условия:
температура окружающего воздуха — 20 ± 5 °С
относительная влажность воздуха — 65 ± 15 %
атмосферное давление — 101,325 ± 3,000 кПа
напряжение питающей сети — 220 ±4,4 В
В помещении, в котором проводят поверку должны быть пренебрежимо малы: удары, вибрации, внешние электромагнитные поля, влияние посторонних источников излучений на показания средств измерений; пары кислот, щелочей, а также газы, вызывающие коррозию.
4.4.2 Все указанные в таблице 4.1. средства измерений должны иметь свидетельства о поверке.
4.4.3 Средства измерений подготавливают к работе в соответствии с эксплуатационной документацией (далее ЭД).
4.4.4 К поверке допускаются лица, имеющие квалификацию госповерителя в области температурных и радиометрических измерений.
4.4.5 При проверке должны соблюдаться требования безопасности в соответствии с ПР 502.012-94, указанные в ТО, а также в документах:
«Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей», «Правила техники безопасности эксплуатации электроустановок потребителей», утверждённые Госэнергонадзором; ГОСТ Р 50014 – 92 (МЭК 519-1-84) «Госбезопасность электротермического оборудования. Часть 1. Общие технические требования».
4.5 Внешний осмотр системы СТК-1.
4.5.1 При проведении внешнего осмотра должно быть установлено:
— соответствие комплектности и маркировки преобразователя и ЭД на него;
— соответствие преобразователя требованиям безопасности при работе с ним, изложенным в технической документации (далее ТД) на преобразователь;
— отсутствие внешних повреждений комплекта поверяемого преобразователя, влияющих на метрологические характеристики и выполнение основных функций.
4.5.2 Преобразователь, не отвечающий требованиям п. 4.5.1., поверке не подлежит.
4.6 Опробование системы СТК-1.
4.6.1 Поверяемый преобразователь включают в сеть и проверяют его работоспособность в соответствии с ЭД.
4.6.2 Преобразователь, у которого при опробовании обнаружена неисправность, поверке не подлежит.
4.7 Проверка диапазона и определение погрешности измерений температуры системы СТК-1.
4.7.1 Преобразователь и эталонный (образцовый) протяжённый излучатель подготавливают к работе согласно ЭД приборов. Преобразователь наводят на центр излучающей поверхности излучателя.
4.7.2 Излучатель выводят на температурный режим, соответствующий нижней границе диапазона измерения преобразователя.
4.7.3 Измеряют температуру излучателя преобразователем согласно его ЭД с учётом излучательной способности излучателя.
4.7.4 Аналогичные операции выполняют при температуре излучателя, соответствующей средней точке диапазона измерений преобразователя и верхней границе диапазона.
4.7.5 Для определения погрешности выполняют операции по 4.7.1. – 4.7.4. Количество измерений при каждом температурном режиме излучателя должно составлять не менее 10 в нижней, средней и верхней точках диапазона.
4.7.6 За погрешность измерения температуры принимают границы суммарной погрешности, оцениваемой для каждого температурного режима излучателя следующим образом.
4.7.6.1 По полученным результатам измерений для каждого температурного режима рассчитывают среднее арифметическое значение температуры T по формуле
где Тi – i-тый результат измерения температуры, n – число измерений.
Среднее квадратическое отклонение среднего арифметического результатов измерений вычисляют по формуле
4.7.6.2 Доверительные границы e случайной погрешности оценивают по формуле
ε = t × S
где t – коэффициент Стьюдента, (при n = 10 и доверительной вероятности 0,95 t = 2,262)
4.7.6.3 Разность значений температур эталонного (образцового) протяжённого излучателя и полученного среднего арифметического значения в соответствии с п. 4.7.6.1. вычисляют по формуле
ΔТ = Тэ(о) – Т
4.7.6.4 Границу суммарной погрешности преобразователя для определённого температурного режима вычисляют по формуле
где Δэ(о) – граница погрешности эталонного (образцового) излучателя;
К – коэффициент, зависящий от выбранной доверительной вероятности и соотношения случайных и неисключённых систематических погрешностей.
Коэффициент К рассчитывается по формуле
где θ — неисключённая систематическая составляющая погрешности преобразователя, которую оценивают по формуле
где k – коэффициент, зависящий от выбранной доверительной вероятности; при доверительной вероятности 0,95 k = 1,1.
4.7.7 Если суммарная погрешность преобразователя, определённая на каждом температурном режиме, не превышает предела допускаемой погрешности, указанной в ТД, то диапазон соответствует установленному.
Если превышает в середине диапазона, то надо пересмотреть погрешность в ТД.
4.8 Определение порога температурной чувствительности системы СТК-1
4.8.1 Для определения порога температурной чувствительности перед преобразователем на расстоянии, соответствующем его рабочему расстоянию, устанавливают рядом два эталонных (образцовых) протяжённых излучателя.
4.8.2 Пирометрический преобразователь и излучатели подготавливают к работе в соответствии с ЭД. Устанавливают режим работы преобразователя, соответствующий максимальной его чувствительности и измеряют шумы в соответствии с ЭД.
4.8.3 Излучатели выводят на температуру, превосходящую на (5-10)°С температуру окружающей среды, а разность температур между излучателями устанавливают такой, чтобы она превосходила в 5-10 раз ожидаемый порог температурной чувствительности преобразователя, указанный в ТД.
4.8.4 При наведении преобразователя на излучатели регистрируют возникающий сигнал и шумы.
4.8.5 Порог температурной чувствительности рассчитывают по формуле
где ΔТ – разность температур двух излучателей,
ΔUс – разность сигналов преобразователя,
Uш – среднее квадратическое значение шумов преобразователя.
4.8.6 Полученное значение порога температурной чувствительности не должно превышать значения, указанного в ТД. В противном случае преобразователь бракуют или пересматривают ТД.
4.9. Проверка стабильности показаний системы СТК-1
4.9.1. Перед пирометрическим преобразователем на расстоянии, соответствующем его рабочему расстоянию, устанавливают эталонный (образцовый) протяжённый излучатель.
4.9.2. Преобразователь и эталонный (образцовый) протяжённый излучатель подготавливают к работе в соответствии с п. 4.7.1.
4.9.3. Преобразователь наводят на центр излучающей поверхности излучателя.
4.9.4. Излучатель выводят на постоянный температурный режим в соответствии с его ЭД в области динамического диапазона пирометрического преобразователя.
4.9.5. По истечении времени выхода преобразователя на рабочий режим, указанного в ЭД, производят не менее 10 измерений температуры излучателя в соответствии с ЭД на преобразователь через равные промежутки времени (5-10 мин.). Данные измерений заносят в таблицу 4.2.
Таблица 4.2. Данные для проверки стабильности
| Измеряемые параметры | Значения |
| Время отсчёта с момента выхода преобразователя на рабочий режим, мин. | |
| Значение температуры Тi , измеренное преобразователем, К | Среднее значение температуры
Т |
| Отклонения значений температуры от среднего Тi – Т, К |
4.9.6. По данным третьей строки таблицы 3 определяют нестабильность показаний преобразователя как максимальное отклонение значений температуры от её среднего арифметического значения
ΔТmax = 2( Тi – Т)
4.9.7. Нестабильность показаний преобразователя (DТmax) не должна превышать значений погрешности, полученных по п. 4.7.
4.10. Определение углового (линейного) разрешения системы СТК-1
4.10.1. Преобразователь подготавливают к работе в соответствии с ЭД.
4.10.2. Перед преобразователем на расстоянии, соответствующем его рабочему расстоянию, устанавливают тепловую миру в виде двух щелей, расстояние между которыми может изменяться, или сменные миры с разными расстояниями между щелями.
За тепловой мирой устанавливают эталонный (образцовый) протяжённый излучатель. Излучательная способность миры должна быть равна излучательной способности эталонного (образцового) протяжённого излучателя.
Угловой размер щелей миры и минимальное расстояние между ними должно быть больше элементарного угла поля зрения преобразователя. Расстояние между щелями должно изменяться на величину, кратную минимальному расстоянию между ними.
4.10.3. Температуру излучателя и разницу температур между излучателем и тепловой мирой устанавливают в соответствии с требованиями ТД на преобразователь.
4.10.4. Преобразователь наводят на центр тепловой миры и путём перемещения щелей или смены тепловых мир получают чёткое изображение двух щелей. В соответствии с требованиями ТД на преобразователь устанавливают такое положение щелей, чтобы контраст изображения щелей (С) составлял величину, указанную в ТД на преобразователь.
Расчёт величины С производят по формуле:
где Umax – сигнал преобразователя от центра изображения щели;
Umin — сигнал преобразователя от промежутка между изображениями щелей.
4.10.5. Измеряют расстояние между центрами щелей Dl в мм и рассчитывают угловое разрешение по формуле
Δα = Δl / L
где L – рабочее расстояние преобразователя в мм.
4.10.6. Угловое разрешение преобразователя не должно превышать значение, указанное в ТД. В противном случае преобразователь бракуют или корректируют ТД.
4.11. Оформление результатов поверки системы СТК-1
4.11.1. При положительных результатах поверки на пирометрический преобразователь выдаётся свидетельство о поверке с указанием выявленных погрешностей.
4.11.2. При отрицательных результатах поверки на пирометрический преобразователь выдаётся свидетельство о непригодности с указанием причин непригодности.