Разработка программного обеспечения для регистрации и обработки cпектрограмм теплового излучения гетерогенных потоков частиц при газотермическом напылении покрытий
- Авторы: Иордан В.И.1, Кобелев Д.И.2
-
Учреждения:
- Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Алтайский государственный университет" Кафедра вычислительной техники и электроники
- Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Алтайский государственный университет" Аспирант Алтайского государственного университета
- Выпуск: Том 14, № 4 (2018)
- Страницы: 83-89
- Раздел: Статьи
- URL: https://vestnikugrasu.org/byusu/article/view/10810
- DOI: https://doi.org/10.17816/byusu20180483-89
- ID: 10810
Цитировать
Полный текст
Аннотация
В статье изложено описание функциональных блоков созданного программного обеспечения (ПО), предназначенного для регистрации и последующей обработки спектрограмм теплового излучения гетерогенных потоков частиц на основе спектрометра BTC-110S. ПО в виде программного комплекса планируется к использованию при решении задачи контроля и измерения температуры потока частиц в процессе напыления функциональных покрытий на основе решения «обратной» задачи восстановления температурного распределения напыляемых частиц по их «интегральному» тепловому спектру. Разработанный программно-аппаратный комплекс обработки спектрограмм теплового излучения потока частиц может быть использован для оптимизации режимов газотермического напыления покрытий с эффективными эксплуатационными характеристиками.
Полный текст
Введение
Актуальной проблемой диагностики газотермических потоков частиц в процессах напыления функциональных покрытий на технические изделия является разработка компьютеризированных приборных комплексов [1], предназначенных для измерения и контроля температурно-скоростных параметров напыляемых частиц с целью оптимального управления технологическим режимом напыления покрытий [1, 2]. Корректное решение задачи контроля и измерения температурно-скоростных параметров напыляемых частиц связано с применением методов «неразрушающего контроля» процессов напыления (например, методов дистанционного зондирования теплового излучения потока частиц). Достаточно эффективными методами измерения температуры гетерогенного потока частиц зарекомендовали себя методы спектральной пирометрии [3, 4]. Линейные и матричные ПЗС-приемники, применяемые в современных спектрофотометрах в качестве детектора и позволяющие с высоким разрешением регистрировать спектры излучения объектов различной природы, позволяют передавать данные измерений через порт USB в ЭВМ с помощью управляющей программы, позволяющей производить первичную калибровку прибора с учетом количества пикселей в детекторе и линейной дисперсии дифракционной решетки [5].
Целью работы является разработка и создание кроссплатформенного программного обеспечения для регистрации и последующей обработки спектрограмм теплового излучения гетерогенных потоков частиц на основе спектрометра BTC-110S [5], которое планируется к использованию при решении задачи контроля и измерения температуры частиц в процессе напыления функциональных покрытий на основе решения «обратной» задачи восстановления температурного распределения напыляемых частиц по их «интегральному» тепловому спектру [6, 7]. Разработанный программно-аппаратный комплекс обработки спектрограмм теплового излучения потока частиц может использоваться для оптимизации режимов газотермического напыления покрытий с эффективными эксплуатационными характеристиками.
Описание функциональных блоков программного обеспечения
Установленное на ЭВМ под управлением ОС WindowsXP программное обеспечение (далее – ПО) предназначено для управления работой спектрометра BTC-110S, оно обеспечивает (рисунок 1):
- передачу данных спектрограммы с выхода спектрометра BTC-110S в ЭВМ (блок взаимодействия с последовательным портом): системный интерфейс для управления и передачи данных между ЭВМ и BTC-110S позволяет выбирать скорость передачи, режим передачи данных:
а) бинарный – для непрерывного режима передачи спектра;
б) символьный – для одинарных команд работы со спектрометром;
- визуализацию спектра в виде графика (блок визуализации данных с последовательного порта): графический интерфейс отображает один или нескольких спектров в виде графиков с легендой и цветными обозначениями; обеспечивает навигацию по графику и масштабирование графика по координатным осям, возможность сохранения спектра в виде массива данных в файле или как изображение, обеспечивает открытие и визуализацию спектра из файла;
- по исходным данным «реперных» точек с известными длинами волн производится калибровка зарегистрированного спектра – «привязка» отсчетов ячеек ПЗС-линейки к соответствующим длинам волн;
- кроссплатформенность (чтобы в перспективе запустить программу на встраиваемых и мобильных системах);
- выполнение операций математической обработки нескольких спектров (для автоматизации и ускорения проведения экспериментов).
Рисунок 1 – Структурная схема взаимодействия функциональных блоков программного комплекса
Краткое описание основных функциональных возможностей ПО приведено ниже.
- Кроссплатформенность. При разработке ПО использовались инструменты для кроссплатформенной работы, чтобы данное ПО можно было запустить на ЭВМ под управлением большинства современных операционных систем, в мобильных устройствах или встроенных системах. В качестве таких инструментов использовались: фреймворк Qt, библиотека boost::asio и среда QtCreator.
- Калибровка зависимости длины волны от номера ячейки линейного ПЗС-приемника (рисунок 2). Для калибровки зависимости длины волны от номера ячейки ПЗС-линейки использовались натриевая лампа SON-TB 150 W E40 Philips, ртутно-кадмиевая лампа СМРК-2. Линейчатые спектры, сведенные на один график (Рисунок 3, правое окно), регистрируются и сохраняются в виде файлов в памяти ПЭВМ. Для аппроксимации в виде многочлена m-й степени
, (1)
были использованы длины волн линий наибольшей интенсивности, взятые из справочников и соответствующие «пикам» интенсивностей этих линий номера ячеек ПЗС-линейки.
По исходным данным реперных точек с помощью метода «наименьших квадратов» программное обеспечение позволяет рассчитывать коэффициенты калибровки . Для расчета коэффициентов калибровки данные реперных точек представлены в виде пары чисел: номер ячейки – длина волны (рисунок 2).
Рисунок 2 – Окно расчета коэффициентов калибровки
- Математическая обработка спектра. Интерфейс ПО позволяет отображать в рабочей области экрана несколько спектров и проводить математические операции над ними: сложение интенсивностей нескольких спектров, вычитание интенсивности одного спектра из другого, «поточечное» деление интенсивностей одного спектра на другой или «поточечное» умножение на константу. Для применения математических операций используется консоль и набор команд для нее или кнопки интерфейса. Например, можно показать несколько окон со спектрами (рисунок 3) либо несколько спектров в одном окне (рисунок 4).
Рисунок 3 – В рабочей области несколько окон с графиками
Рисунок 4 – Результат выполнения команды ПКЗ
Команда «ПКЗ» используется для показа нескольких спектров в одном окне. Команда «СУМ» используется для суммирования интенсивностей нескольких спектров (рисунок 5). Форматы этих команд приведены ниже:
ПКЗ <заголовок окна 1>, <заголовок окна 2>, <заголовок окна n>
СУМ <заголовок окна 1>, <заголовок окна 2> … <заголовок окна n>
Рисунок 5 – Результат выполнения команды СУМ
Для вычитания интенсивностей одного спектра из другого и их поточечного деления используются команды «ВЫЧ» и «Дел»: ВЫЧ <заголовок окна 1>, <заголовок окна 2>, аналогично команда ДЕЛ.
Данные команды упрощают и ускоряют анализ спектров и проведение ряда экспериментов, так как не требуется выгружать регистрируемые спектры и пользоваться сторонними программами.
- «Расширяемость» программного комплекса. При разработке ПО применялось объектно-ориентированное и модульное программирование. Программный код представлен несколькими модулями, что позволяет добавлять новые модули. Например, кроме модулей регистрации и первичной обработки спектров был добавлен модуль определения температурного распределения частиц по их «интегральному» спектру теплового излучения, теоретические основы для которого изложены в [6, 7] и кратко в следующем подразделе 2. Кроме того, методы спектральной пирометрии применимы, например, для измерения температуры и исследования тепловой структуры волны горения самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) и измерения температуры во фронте волны горения СВС [8].
Отметим дополнительные возможности ПО: масштабирование спектров по осям; изменение некоторых параметров спектрометра: количество усреднений и скорость интеграции; сохранение спектров в виде файлов; загрузка спектров из файлов; возможность сохранения спектров в виде изображений.
Обратная задача восстановления температурного распределения частиц в гетерогенном потоке по их интегральному спектру
Математическая модель «измерительного» уравнения, представляющего собой интегральное уравнение Фредгольма 1-го рода в виде
, (2)
теоретически обоснована в работах [6, 7]. В выражении (2) выходной сигнал , регистрируемый линейным многоэлементным фотоприемником, установленным в фокальной плоскости спектрофотометра, пропорционален интегральному (суммарному) спектральному распределению энергии теплового излучения от потока частиц, прошедших зону регистрации. Функция пропорциональна суммарной площади поверхности частиц, излучающих тепловое излучение, и испускательной (излучательной) способности каждой частицы, осредненной по всем частицам с помощью функции плотности вероятности распределения по значениям температур частиц в «измерительном» объеме:
, (3)
где – излучательная способность «абсолютно черного тела» (функция Планка), а – «интегральный коэффициент черноты» для частиц, учитывающий поправку для частиц как на модель «серого» тела. В формуле (2) в регистрируемом спектре коэффициент представляет собой функцию «искажений», вносимых элементами и устройствами оптического «тракта» спектрометра. На этапе калибровки спектрометра по «эталонным» источникам излучения можно определить функцию «искажений» и использовать ее в дальнейших измерениях, а именно . В формуле (3) можно перейти к функции . Используя замены переменных , переход с учетом замены переменных к функциям , а также разложение по переменной функции Планка, в работах [6, 7] было получено аналитическое решение «обратной» задачи в виде
(4)
где – функция Мебиуса. Для функции выполняются выражения:
, (5)
. (6)
В частном случае, заменяя переменную Лапласа s на частотную переменную , функция при m=1 является функцией , и с учетом замены переменной аргумента s на ее можно обозначить как . Учитывая подробный вывод формул (4)-(6), приведенный в работах [6, 7], функция связана через калибровочную функцию с экспериментальным спектром . Следовательно, располагая экспериментально зарегистрированным спектром , с учетом связи спектра с функцией и выражений (4)–(6) можно определить функцию , от которой с учетом замены можно перейти к функции плотности вероятности распределения по значениям температур частиц, т. е. .
Выводы
Основываясь на выражениях (4)–(6), средствами моделирования можно исследовать наилучшим образом «подходящие» модельные функции плотности вероятности распределения по значениям температур частиц в потоке, создав соответствующий программный модуль для решения обратной задачи определения температурного распределения частиц в потоке по их интегральному тепловому спектру. Результаты моделирования могут использоваться при решении задачи оптимизации режимов газотермического напыления покрытий на поверхности технических деталей с эффективными эксплуатационными характеристиками.
Об авторах
Владимир Иванович Иордан
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Алтайский государственный университет"Кафедра вычислительной техники и электроники
Автор, ответственный за переписку.
Email: jordan@phys.asu.ru
Кандидат физико-математических наук
Доцент
Россия, 656049, г. Барнаул, пр-т Ленина, д.61Денис Игоревич Кобелев
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Алтайский государственный университет"Аспирант Алтайского государственного университета
Email: armored@inbox.ru
Аспирант
Россия, 656049, г. Барнаул, пр-т Ленина, д.61Список литературы
- Бледнов, В. А. Моделирование формирования слоистой структуры и пористости плазменных порошковых покрытий с учетом изменяемой топологии поверхности при напылении [Текст] / В. А. Бледнов, В. И. Иордан, О. П. Солоненко // Известия Томского политехнического университета. - 2010. - Т. 317. - № 5. - С. 82-87.
- Оценка скорости и температуры дисперсной фазы в струях плазменно-дугового напыления [Текст] / М. П. Бороненко, И. П. Гуляев, П. Ю. Гуляев [и др.] // Фундаментальные исследования. - 2014. - № 11 (ч. 10). - C. 2135-2140.
- Свет, Д. Я. Объективные методы высокотемпературной пирометрии при непрерывном спектре излучения [Текст] / Д. Я. Свет. - Москва : Наука, 1968. - 240 с.
- Магунов, А. Н. Спектральная пирометрия (обзор) [Текст] / А. Н. Магунов // Приборы и техника эксперимента. - 2009. - № 4. - С. 5-28.
- Spectrometer Model BTC-110S [Electronic resource] // Science-Surplus.com. - URL: // http://www.science-surplus.com/products/spectrometers.
- Иордан, В. И. Теоретические аспекты решения обратной задачи определения температурного распределения частиц гетерогенного потока по их интегральному тепловому спектру [Текст] / В. И. Иордан // Известия Алтайского государственного университета. Серия Физика. - 2013. - № 1/1 (77). - С. 167-171.
- Иордан, В. И. Обратное интегральное преобразование для восстановления температурного распределения частиц гетерогенного потока по их интегральному тепловому спектру [Текст] / В. И. Иордан // Известия вузов. Физика. - 2013. - Т. 56. - № 8/3. - С. 293-299.
- Калачёв, А. В. Исследование тепловой структуры волны горения самораспространяющегося высокотемпературного синтеза [Текст] / А. В. Калачёв, П. Ю. Гуляев, В. И. Иордан // Известия Алтайского государственного университета. - 2005. - № 1 (35). - С. 104-109.
Дополнительные файлы
![](/img/style/loading.gif)