Информационно-измерительная система контроля состояния пузырькового парожидкостного потока методом технического зрения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.16, кандидат технических наук Ставров, Сергей Геннадьевич

• Ставров, Сергей Геннадьевич
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ставров, Сергей Геннадьевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБОСНОВАНИЕ НЕОБХОДИМОСТИ РАЗРАБОТКИ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ПУЗЫРЬКОВОГО ПАРОЖИДКОСТНОГО ПОТОКА МЕТОДОМ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ.

1.1. Обзор методов и средств контроля состояния пузырькового парожидкостного потока.

1.2. Предпосылки для применения средств технического зрения в задаче контроля состояния пузырькового парожидкостного потока путем анализа распределения яркости изображений потока.

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ.

2.1. Общие положения.

2.2. Предварительная обработка изображений пузырькового парожидкостного потока.,,.

2.3. Разработка методик определения паросодержания пузырькового парожидкостного потока.

2.4. Разработка методики определения групповой скорости движения паровых пузырей.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ

ПУЗЫРЬКОВОГО ПАРОЖИДКОСТНОГО ПОТОКА

МЕТОДОМ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ.

3.1. Разработка информационно-измерительного комплекса автоматизированной обработки изображений.

3.2. Опытные испытания методик контроля параметров пузырькового парожидкостного потока путем анализа распределения яркости изображений потока с помощью средств технического зрения.

3.3. Определение оптимальных параметров оптической системы визуализации пузырькового парожидкостного потока.

4. РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ.

4.1. Функциональные задачи и структура распределенной информационно-измерительной системы.

4.2. Структура программного обеспечения информационно-измерительной системы.

4.3. К выбору структуры аппаратных средств подсистемы нижнего уровня.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Информационно-измерительная система контроля состояния пузырькового парожидкостного потока методом технического зрения»

Актуальность работы. При реализаций современной концепции безопасности ядерных энергетических установок (ЯЭУ) значительная роль отводится системам контроля состояния теплоносителя ядерных реакторов, являющимся важнейшими элементами, повышающими безопасность ЯЭУ.

В нашей стране широко распространены канальные ядерные реакторы, в которых теплоносителем служит парожидкостной поток, образующийся в результате нагрева и частичного испарения воды, циркулирующей в технологических каналах и охлаждающей тепловыделяющие элементы. Для обеспечения нормальных режимов работы ЯЭУ и предотвращения аварийных ситуаций требуется непрерывный контроль параметров парожидкостно-го потока в каналах реакторов. Начиная с 60-х годов прошлого века усилиями таких ученых и специалистов как Ю.В. Харитонов, Э.А. Болтенко, В.И, Мельников и других * разработан ряд методов контроля параметров парожидкостного потока, среди которых для пузырькового режима, являющегося основным режимом течения потока в канальных реакторах, одним из наиболее эффективных является контроль параметров потока путем анализа распределения яркости его изображений.

Становление этого метода связано с именами В.И. Толубинского, Б.А. Кольчугина, Ю.М. Быковского и И.А. Попова, проводившими исследования по диагностике пузырькового парожидкостного потока с помощью кино-, фото- и видеосъемки. Использовалась стандартная процедура получения кино- и фотоснимков потока и последующая их ручная обработка. Видеосъемка применялась в основном для визуального контроля сцен течения потока. В связи с отсутствием необходимой инструментально-технической базы, задаче автоматизации процесса получения и обработки визуальной информации в то время было уделено мало внимания, а контроль состояния пузырькового парожидкостного потока путем анализа распределения яркости его изображений мог осуществляться только периодически и только ретроспективно.

Сегодня, когда в соответствии с постоянно ужесточающимися нормами по безопасности ЯЭУ необходимо обеспечить непрерывный контроль параметров пузырькового парожидкостного потока в реакторах, с одной стороны, и, когда, появилась возможность полностью автоматизировать контроль этих параметров путем анализа распределения яркости его изображений с помощью современных информационных технологий и средств технического зрения, с другой стороны, особенно актуальным является создание системы оперативного контроля состояния пузырькового парожидкостного потока .методом технического зрения.

Важнейшей задачей, которую требуется решить при создании такой S системы, является разработка методик контроля параметров пузырькового парожидкостного потока путем анализа распределения яркости его изображений, реализующих возможности современных информационных технологий и средств технического зрения.

Указанные обстоятельства определили направление исследования настоящей работы.

Объектом исследования является автоматизация оперативного контроля состояния пузырькового парожидкостного потока путем анализа распределения яркости его изображений с целью создания автоматизированной оптической системы контроля состояния потока, позволяющей повысить безопасность реакторов с парожидкостным теплоносителем.

Предметом исследования являются методики и алгоритмы оперативного контроля параметров пузырькового парожидкостного потока путем анализа распределения яркости его изображений.

Гипотеза исследования: если разработать методики и алгоритмы контроля пузырькового парожидкостного потока путем анализа распределения яркости его изображений с помощью средств технического зрения, то можно автоматизировать оперативный контроль состояния потока и создать систему контроля состояния пузырькового парожидкостного потока методом технического зрения, позволяющую повысить безопасность ядерных реакторов с парожидкостным теплоносителем.

N *

Исследования, проводимые по теме диссертации, выполнялись в рамках целевой программы повышения безопасности атомных электрических станций в направлении поэтапного внедрения систем контроля и диагностики АЭС

Целью работы является развитие подхода к автоматизации оперативного контроля состояния пузырькового парожидкостного пузырькового потока путем анализа распределения яркости изображений потока на основе использования средств технического зрения.

В соответствии с указанной целью были поставлены и решены следующие задачи:

- разработаны методики оперативного контроля параметров пузырькового парожидкостного потока путем анализа распределения яркости изображений потока с помощью средств технического зрения;

- разработано программно-алгоритмическое обеспечение предложенных методик;

- проведено экспериментальное исследование работоспособности предложенных методик контроля и оценка их эффективности;

- разработана функциональная структура информационно-измерительной системы контроля состояния пузырькового парожидкостного потока методом технического зрения.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы формирования и преобразования сигналов в оптико-электронных системах, методы обработки изображений, методы математической статистики и планирования эксперимента.

Научная новизна. Основным научным результатом представляется развитие подхода к автоматизации оперативного контроля состояния пузырькового парожидкостного потока путем анализа распределения яркости изображений потока с помощью средств технического зрения. Подход теоретически обоснован и доведен до конкретных методик контроля параметров потока.

Разработана методика определения паросодержания в сечении потока путем вычисления отношения суммарной площади, занимаемой на изображениях потока образами паровых пузырей к общей площади кадра изображения, позволяющая осуществлять оперативный контроль паросодержания в сечении потока с помощью средств технического зрения.

Разработана методика определения объемного паросодержания путем вычисления отношения суммарного объема паровых пузырей в анализируемом пространстве к общему объему этого видимого пространства, позволяющая осуществлять оперативный контроль объемного паросодержания с помощью средств технического зрения.

Разработана методика определения групповой скорости движения паровых пузырей путем вычисления функции взаимной корреляции между распределениями яркости пар последовательных кадров изображений парожидкостного потока, позволяющая осуществлять оперативный контроль скорости пара с помощью средств технического зрения.

Достоверность научных положений, содержащихся в диссертации, подтверждена имитационным моделированием, экспериментальными исследованиями, опытно-промышленными испытаниями й практической реализацией разработанных методик.

Практическая ценность работы. Автоматизация оперативного контроля состояния пузырькового парожидкостного потока путем анализа распределения яркости его изображений с помощью средств технического зрения позволяет создать систему оперативного контроля состояния пузырькового парожидкостного потока методом технического зрения, повышающую безопасность работы ядерного реактора с парожидкостным теплоносителем. -Разработанные методики оперативного контроля параметров пузырькового потока путем анализа распределения яркости его изображений с помощью средств технического зрения универсальны для широкого класса пузырьковых сред (пар-жидкость, газ-жидкость), поэтому могут быть использованы не только на предприятиях атомной энергетической промышленности, но также химической и теплоэнергетической промышленности, в научно-исследовательских институтах при создании и внедрении в производство систем контроля состояния пузырьковых парожидкостного и газожидкостного потоков методом технического зрения.

Реализация результатов работы. Предложенные в диссертации методики и алгоритмы контроля параметров пузырькового парожидкостного потока прошли опытную эксплуатацию на теплофизическом стенде, моделирующем реакторный контур ядерной энергетической установки, и внедрены в научно-исследовательскую тематику работ Севастопольского института ядерной энергии и промышленности, а также в учебный процесс Ивановского государственного энергетического университета, что подтверждается соответствующими документами.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методики и алгоритмы оперативного контроля параметров пузырькового парожидкостного путем анализа распределения яркости изображений

•А. потока с помощью средств технического зрения.

2. Результаты имитационного моделирования, экспериментального исследования, опытно-промышленных испытаний и практической реализации разработанных методик и алгоритмов. "

3. Функциональная структура информационно-измерительной системы контроля состояния пузырькового парожидкостного потока методом технического зрения.

Апробация работы. Основные положения диссертации и ее отдельные результаты докладывались на научно-технических конференциях:

- Международная конференция «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках», г. Москва, 1999 г. "

- Международная научно-техническая конференция «IX Бенардо-совские чтения», г. Иваново, 1999 г.

- Вторая Научно-техническая конференция «Повышение эффективности теплоэнергетического оборудования», г. Иваново, 2000 г.

- Международная конференция «Физические основы экспериментального и математического моделирования процессов газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках», г. С.-Петербург, 2001 г.

- VII-я Международная конференция «Безопасность АЭС и подготовка кадров», г. Обнинск, 2001 г.

- Международный конгресс «Энергетика-3000», г. Обнинск, 2002 г.

- Третья Всероссийская научно-практическая конференция «Повышение эффективности теплоэнергетического оборудования», г. Иваново, 2002 г.

- Вторая Научная сессия МИФИ «Научно-инновационное сотрудничество», Москва, 2003 г.

- Научно-техническая конференция «Интеллект - 2003», г. Тула,

Заключение диссертации по теме «Информационно-измерительные и управляющие системы (по отраслям)», Ставров, Сергей Геннадьевич

Результаты работы внедрены в научно-исследовательскую тематику работ Севастопольского института ядерной энергии и промышленности и учебный процесс Ивановского государственного энергетического университета, что подтверждается соответствующими документами.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ставров, Сергей Геннадьевич, 2003 год

1. Субботин В.И., Похвалов Ю.Е., Михайлов Л.Е. и др. Структура снарядного пароводяного потока. Теплоэнергетика, 1977, № 7.

2. Субботин В.И., Похвалов Ю.Е., Михайлов Л.Е. и др. Измерение истинного объемного паросодержания в потоке прибором основанным на ре-зистивном методе. Теплоэнергетика, 1977, № 9.

3. Болтенко Э.А., Джусов Ю.П. Способ идентификации режимов течения двухфазных потоков. Авт. свид. СССР № 1274448, 1984.

4. Болтенко Э.А., Джусов Ю.П., Степин А.И., Чернухин В.Л. Система для измерения концентрации дисперсной фазы в парогенерирующих каналах. Авт. свид. СССР № 1501712, 1987. ' V;

5. Цыганок А.А. и др. О взаимодействии паровых пузырей с зондом в двухфазных потоках. Теплоэнергетика, 1979, № 9.

6. Мельников В.И., Усынин Г.Б. Акустические методы диагностики двухфазных теплоносителей ЯЭУ. -М.: Энергоатомиздат, 1987,

7. Мельников В.И. Диагностика двухфазных потоков методом акустического зондирования. Промышленная теплоэнергетика, 1981, т.З. № 2.

8. Бургасов B.C., Дунцев А.В., Лабутин С.А., Мельников В.И. Ультразвуковой измеритель волновых характеристик стекающих пленок жидкости. ПТЭ, №2,1992.

9. Баранов В.М. Ультразвуковые измерения в атомной технике. М.: Атомиздат, 1975.

10. Рехин Е.И., Ржевкин В.Р. Акустический контроль АЭС. М.: Изд-во ЦНИИатоминформ, 1978.

11. Иванов В.В. Разработка акустических информационно-измерительных систем диагностики теплоносителей ЯЭУ: Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Нижний Новгород: НГТУ. 1995.

12. Штоппель Л.К. Разработка системы диагностики мелкодисперсного пароводяного потока теплоносителя ЯЭУ: Автореферат диссертации на соискание ученой степени канди дата технических наук. Нижний Новгород: НГТУ 2000.

13. Левитан Л.Л., Боревский Л.Я. Голография пароводяных потоков. М.: Энергоатомиздат, 1989.

14. Дзарасов Ю.А., Кеварков JI.P., Кольчугин Б.А. и др. Диагностика фазовых включений пароводяного потока методом микрофотосъемки. В кн.: Исследования критических тепловых потоков в пучках стержней. М.: Атомиздат, 1974.

15. Толубинский В.И., Орнатский А.П., Литошенко А.К. Кризис теплообмена при поверхностном кипении в узких кольцевых каналах. В кн.: Теплоотдача при изменении агрегатного состояния. Киев, «Наукова думка», 1966.

16. Нигматуллин Р.И. Динамика многофазных сред. М.: Наука. 1987.

17. Справочник по промышленной робототехнике / Под ред. Ш.Нофа: Пер. с англ. Кн. 1. М: Машиностроение, 1990.30. http://dantec.com , ' J

18. Техническое зрение роботов / В.И. Мошкин, А.А. Петров, B.C. Титов и др.; под общ. ред. Ю.Г. Якушенкова. М.: Машиностроение, 1990.

19. Основы оптоэлектроники: Пер. с яп. М.: Мир, 1988.

20. Волоконная оптика и приборостроение / Под общ. ред. М.М. Бутусова -Л.: Машиностроение. 1987.

21. Световодные датчики / Б.А. Красюк, О.Г. Семенов, А.Г. Шереметьев и др. М.: Машиностроение, 1990.

22. Поршаков Д.П., Ястребов В.Е., Паньков В.А. Специализированные телевизионные камеры и системы // В кн.: Обеспечение безопасности АЭС сВВЭР: Тез. докл. Второй Всероссийской научно-технической конференции. Москва, 2002.

23. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов. М.: Машиностроение, 1989.

24. Проектирование оптических систем: Пер. с англ. / Под. ред. Р. Шеннона, Дж. Вайянта. М.: Мир, 1983.

25. Волосов Д. С. Фотографическая оптика М.: Искусство, 1978.

26. Гуров И.П., Джабиев А.Н., Панков Э.Д. Информационные оптико-электронные системы: проблемы и перспективы развития // Изв. вузов. Приборостроение. 1998. Т.41, № 1-2.

27. Приборы с зарядовой связью: пер. с англ. / Под ред. М.Хоувза, * Д.Моргана.-М.: Энергоиздат, 1981.

28. Шмидт Д., Шварц В. Оптоэлектронные сенсорные системы. М.: Мир, '1991. '"''"■■■ ■' '/г^:,;'^ ' '

29. Путятин Е.П., Аверин С.И. Обработка изображений в робототехнике. -М.: Машиностроение, 1990.

30. Техническое зрение роботов: пер. с англ. / Под ред. А.Пью. М.: Наука,■ 1987. '' ' Л- .'"'■• |

31. Марр Д. Зрение. Информационный подход к изучению представления и обработки зрительных образов. М.: Радио и связь, 1987.

32. Андреев В.П., Белов Д.А., Вайнштейн Г.Г. и др. Эксперименты с машинным зрением. М.: Наука, 1987.

33. Хорн Б.К.П. Зрение роботов: Пер. с англ. М.: Мир, 1989.

34. Павлидис Т. Алгоритмы машинной графики и обработки изображений: Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1986.

35. Прэтт У. Цифровая обработка изображений. В 2-х т.: Пер. с англ. М.: Мир, 1982.

36. Техническое зрение роботов / В.И. Мошкин, А.А. Петров, B.C. Титов и др.; под общ. ред. Ю.Г. Якушенкова. М.: Машиностроение, 1990.

37. Белянин П.Н. Промышленные роботы. М.: Машиностроение, 1975.

38. Яншин В.В., Калинин Г.А. Обработка изображений на языке Си для IBM PC: Алгоритмы и программы. М.: Мир, 1994.

39. Садыков С.С., Кадырова Г.Х., Азимов Ш.Р. Системы цифровой обработки изображений. Ташкент: Фан, 1988.

40. Фу К., Гонсалес Р., Ли К. Робототехника: Пер. с англ. М.: Мир, 1989.

41. Бендатт Дж., Пирсол А. Прикладной анализ случайных данных. М.: ■ Мир, 1989. " - .

42. Цапенко М.П. Информационно-измерительные системы. М.: Энерго-атомиздат, 1985.

43. Случайные колебания / Под ред. С. Кренделла. М.: Мир, 1967.

44. Бендатт Дж. Основы теории случайных шумов. М.: Мир, 1967.N

45. Попов И.А., Сайда Д.М. и др. Структурная схема расчета теплогидрав-лики и кризиса теплообмена в ТВ С при переменных режимах работы реактора: Отчет о НИР. Севастополь, СИЯЭП. 1995.

46. Лабунцов Д.А. и др. Паросдержание двухфазного адиабатного потока в вертикальных каналах. Теплоэнергетика, №4, 1968.

47. Холодовский Г.Е. Обобщение опытных данных по циркуляции воды в котлах. Теплоэнергетика №1. М.: Изд-во ЭНИН. 1959.

48. Дейч М.Е., Филлипов Г.А. Газодинамика двухфазных сред. М.: Энергоатомиздат, 1981.

49. Хьюитт Дж., Холл-Тейлор Н. Кольцевые двухфазные течения: Пер. с англ. М., Энергия, 1974.

50. Уоллис Г. Одномерные двухфазные течения. М.: Мир, 1972.

51. Бергла А.И. Исследование режимов течения кипящей воды при высоком давлении / В кн. Достижения в области теплообмена. М.: Мир, 1970.

52. Дубовик А.С. Фотографическая регистрация быстропротекающих процессов. М.: Наука, 1964.

53. Барабащук В.И., Креденцер В.П., Мирошниченко В.И. Планирование эксперимента в технике. Киев: Техника, 1984.У

54. Бродский В.З. Введение в факторное планирование эксперимента. М.: Наука, 1979.s

55. Иванова В.А., Калинина В.Н., Наумова Л.А. и др. Математическая статистика. М.: Высшая школа, 1981.

56. Селиванов М.Н. и др. Качество измерений: метрология, справочная книга. М.: Наука, 1976.

57. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1971.

58. Броди С.М., Власенко О.Н., Марченко Б.Г. Расчет и планирование испытаний систем на надежность. Киев: Наукова думка, 1970.

59. Ахтузарова C.JL, Кафов В.В. Оптимизация эксперимента в химии и химической технологии. М.: Высшая школа, 1978.

60. Налимов В.В., Чернова Н.А. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов. М.: Наука, 1965.

61. Шенк X. Теория инженерного эксперимента / Пер. с анг. Е.Г.Коваленко, под ред. чл.-корр. АН СССР Бусленко Н.Р. М.: Мир, 1977.

62. Джексон Н., Леон Ф. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке. Методы обработки данных. / Пер. с англ. Под ред. к.т.н. Лец-кого Э.К.- М.: Мир, 1980.