ТЕПЛОВИЗОРНЫЙ ТЕЧЕИСКАТЕЛЬ Российский патент 1998 года по МПК G01M3/40 G01M3/38 G01M3/24 G01M3/16 

Изобретение относится к области контроля герметичности с помощью электрических устройств и позволяет определить местоположение течи в трубопроводах, находящихся под землей.

Известны способы и устройства для определения местоположения течи на поверхностях изделий и трубопроводах (см. патент Японии N 63-122528 МКИ J 01 M 3/16, авт. св. СССР N 1442845, МКИ J 01 M 3/24, авт. св. СССР N 1637503 G 01 M 3/24, патент Франции N 2611900, МКИ G 01 M 3/04, 3/38, патент Японии N 63-55646, G 01 M 3/16, 3/38, авт. св. СССР N 1395967, G 01 M 3/40, от 15.05.88 г. "Изобретение стран мира" 1988-89 г.г.

Из известных устройств наиболее близким по техической сущности является устройство, описанное в авт. св. СССР N 1395967, G 01 M 3/40 от 15.05.88 г.

Устройство для определения места дефекта на поверхности изделия содержит вакуумную камеру 4, в которой размещено заполненное пробным газом контролируемое изделие 24, электронную пушку 7 и датчик 8 электромагнитного излучения, закрепленный на подвижной каретке 6. Изделие 24 установлено на изоляторе и электрически соединено с видеоусилителем 23. Электронная пушка 7, датчик 8 электромагнитного излучения и электрогидравлический привод 5 соединены с электрической схемой устройства. По поверхности 24 изделия сканируют электронным пучком, образованным электронной пушкой 7, и с помощью датчика 8 вторичного рентгеновского излучения и электрической схемы, содержащей последовательно соединенные видеоусилитель, вход которого предназначен для соединения с контролируемым изделием, дискриминатор и видиоманитор, получают канал изображения изделия 24 в масштабе 1:1.

Для обеспечения определения места течи устройство снабжено каналом изображения течи, включающим последовательно соединенные датчик 10 ультрафиолетового излучения, размещенный в камере на подвижной каретке, блок согласования сопротивлений, фильтр, усилитель-ограничитель, блок формирования изображения течи, блок задержки строчной развертки и блок формирования режима микроскопирования течи с каналом синхронизации стройной и кадровой развертки изображения изделия и течи.

С целью повышения точности путем уменьшения искажений кадровой и строчной развертки канал изображения изделия включает цепь коррекции, состоящую из блока коррекции искажений, дискриминатора, усилителя, масштабного усилителя, управляемого блока задержки, генератора строчной и кадровой развертки, а также из неуправляемого блока задержки и генератора строб-импульсов.

В этом устройстве развертка изображения производится путем сканирования электронным пучком с помощью фокусирующей отклоняющей системы (ФОС) строчной и кадровой развертки, (т.е. действуя на электронный пучок двумя электромагнитными полями: продольными (фокусирующим) и поперечным (отклоняющим). Для такой развертки характерны нелинейные искажения строчной и кадровой развертки, поэтому в указанном прототипе для повышения точности определения местах течи в канал изображения изделия включают цепь коррекции. Ввиду того, что коррекция изображения изделия и течи в нем приводит лишь к уменьшению искажения кадровой и стройной развертки, а не устраняет эти искажения совсем, погрешность определения места течи будет достаточно большой.

Технической задачей изобретения является получение на экране алфавитно-цифрового дисплея изображения инфракрасного излучения трубопровода с течью, находящегося под землей, определение и индикацию, на экране этого же дисплея, расстояния от одного из концов трубопровода до места течи.

Технический результат выражается в повышении точности.

Это достигается тем, что тепловизионный течеискатель, содержащий канал изображения инфракрасного излучения трубопровода с течью находящегося под землей, канал определения местоположения течи, включающий алфавитно-цифровой дисплей с индикацией на его экране расстояния от одного из концов трубопровода до места течи и установленную на определенной высоте от поверхности земли и перемещающуюся по ней вдоль трассы трубопровода до места течи тепловизионную камеру, содержащую преобразователь свет-сигнал на многоучастковой матрице приборов с зарядовой связью, подключенную одним выходом к алфавитно-цифровому дисплею, а другими выходами - к блоку измерения видеосигнала и периода накопления, выход которого соединен с вычислителем скорости, выходы последнего подключены к выходам блока включения-выключения таймера и вычислителя расстояния, другой вход которого соединен с таймером, в выход - с дисплеем, связанным с блоком включения - выключения таймера.

Тепловизионный течеискатель (см. фиг. 1) содержат тепловизионную камеру 1, в которую входит преобразователь свет-сигнал на многоучастковой матрице приборов с зарядовой связью, алфавитно-цифровой дисплей 2, блок 3 измерения видеосигнала и периода накопления, вычислитель скорости 4, блок 5 включения - выключения таймера, таймер 6, вычислитель расстояния 7.

Известно, что имеется класс полупроводниковых приборов - приборов с зарядовой связью (ПЗС). В ПЗС накопление энергии входного сигнала реализуется следующим образом: заряды накапливаются на дискретных емкостях, образованных структурой металл-окисел-полупроводник (МОП). Дискретность МОП-конденсаторов вызвана периодической структурой электродов и наличием ограничительных стоп-каналов. Заряд, накапливаемый на МОП-конденсаторе, прямо пропорционален интенсивности электромагнитного поля (числу падающих фотонов) в широком динамическом диапазоне. По сравнению с видиконом накопление в ПЗС отличается дискретностью и линейностью светоэлектрического преобразования.

Развертка изображения реализуется в ПЗС в новой форме, многоэлементное зарядовое изображение (см. фиг. 3) перемещается в кристалле кремния (поверхностным или объемный канал) под гребенкой электродов при подаче на них "бегущей волны" напряжения. Процесс развертки завершается поэлементным переносом зарядовых пакетов в выходном регистре к считывающему устройству. При этом ПЗС разделяется на два массива: накопительный и буферный, который нужен для исключения смаза изображения при его считывании. Считывающее устройство измеряет накопленные заряды. Амплитуда выходного электрического сигнала не зависит от времени измерения заряда, т.е. от скорости считывания. Важнейшим достоинством является жесткость растра, обусловленная топологией данной матрицы ПЗС. В жестком растре исключены его искажения и нестабильность во времени.

На фиг. 3 изображена схема построения ПЗС матрицы преобразователя свет-сигнал, где А - участок формирования сигналов изображения; Б - участок памяти; В - участок считывания; 1 - подложка, 2 - светочувствительный элемент, 3 - канавки разделительной диффузии, 4 - выходной диод, 5 - регистр считывания; а, б, в, г, д - контактные площадки регистра считывания, управления диодом и выходного видеосигнала соответственно.

Преобразование оптического изображения и приповерхностный рельеф электрических зарядов производится в верхней половине матрицы (участок А). Для получения возможно больших зарядов процесс их накопления продолжается в течение времени передачи полукадра. После накопления на контакты а₁, а₂, а₃ регистра перезаписи подаются последовательности импульсов, проталкивающие заряды из участка А в участок памяти Б. Такие же последовательности импульсов подаются одновременно на контакты б₁, б₂, б₃ регистра памяти. Перезапись из участка А матрицы в участок Б происходит очень быстро (примерно в течение 1 мкс). Затем на участке А начинается накопление зарядов седующего полукадра, а с участка Б начинается списывание сигналов изображения. На контакты б₁, б₂, б₃ подаются импульсы, перемещающие заряды нижней строки в регистр 5 участка считывания В. Затем на контакты в₁, в₂, в₃ подаются импульсы, перемещающие заряды на диод 4, с выхода которого снимается видеосигнал. В течение полукадра строка за строкой списываются все заряды и участок памяти Б оказывается подготовленным для запоминания следующего полукадра.

Линейность светоэлектрического преобразования, жесткость растра и стабильность во времени делают ПЗС-матрицы высокоточным измерителем распределения интенсивности электромагнитного поля или плотности фотонов.

Предлагаемый течеискатель работает следующим образом.

Тепловизионную камеру 1, содержащую преобразователь свет - сигнал на многоучастковой матрице приборов с зарядовой связью (ПЗС), устанавливают на определенной высоте от поверхности земли 9 и располагают так, чтобы изображение инфракрасного излучения одного из концов трубопровода 8, находящегося под землей, совпадало с центром экрана алфавитно-цифрового дисплея 2 (см. фиг. 1, фиг. 2а). Затем телекамеру 1 перемещают со скоростью V_тк по направлению 10 вдоль трассы трубопровода 8 до совпадения изображения инфракрасного излучения места течи 11 в трубопроводе 8 с центром экрана дисплея (см. фиг. 2б, в).

T_тк - время перемещения телекамеры 1 определяют с помощью таймера. При V_тк скорости перемещения телекамеры 1 больше нуля, электрическим сигналом из блока 5 включают таймер 6, а выключают его также электрическим сигналом из блока 5 в момент совмещения изображения места течи 11 с центром экрана алфавитно-цифрового дисплея 2 (фиг. 2в) при V_тк=0.

Из [2, стр. 50-51] известно, что V•T_н≥6r, откуда находим V≥6 r/T_н, где T_н - период (время) накопления заряда; V - скорость накопления (изменения) заряда; r - эффективный радиус считывающей апертуры в виде соприкасающихся прямоугольников. Для матриц ПЗС с кадровым переносом r_опт.= 0,24Δx, а для матриц ПЗС со строчно-кадровым переносом r_опт.= 0,48Δx, где r_опт. - оптимальный эффективный радиус считывающей апертуры; Δx - размер элемента считывающей апертуры по оси x (известная постоянная величина).

Следовательно скорость накопления (изменения) заряда будет

Также из [2, стр. 65] и фиг. 4 известно, что сигналы с многоучастковой матрицы ПЗС считываются с выходов двух типов. Через традиционные выходы последовательно считываются дискретные во времени и в пространств (задержанные в секции хранения) сигналы изображения. Другие выходы-участки электродов секции накопления, введенные в плавающий режим, используются для формирования сигналов управления частотой кадров и временем (периодом) накопления. Это позволяет непрерывно во времени измерять суммарный заряд на каждом участке матрицы. Таким образом V_тк - скорость перемещения телекамеры 1 определяется с помощью блока 3 измерения видеосигнала и периода накопления заряда строки и вычислителя скорости 4.

На фиг. 4 изображена структурная схема телекамеры 1 на многоучастковой матрице ПЗС.

На участке CH2 (фиг. 4) матрицы ПЗС телекамеры 1 (фиг. 1) выбирают строку, направленную вдоль перемещения телекамеры 1. Телекамерным процессором (фиг. 4) в этой строке регулируют T_н - период (время) накопления заряда, т. е. скорость V его накопления (изменения) до тех пор, пока на одном из выходов (выход 2, фиг. 4) телекамеры 1, связанным с входом блока 3, не появится видеосигнал, равный нулю, при перемещении телекамеры 1 со скоростью V_тк=V - скорости накопления (изменения) заряда в выбранной строке. Другой выход (вход 3, фиг. 4) телекамеры 1 связан с другим входом блока 3, в котором измеряют период T_н - накопления заряда в строке, и с его выхода на вход вычислителя скорости к подают электрический сигнал, пропорциональный периоду T_н - накопления заряда в строке. Вычислитель скорости 4 производит вычисление скорости V_тк - движения телекамеры 1 по формуле

Расстояние L до места течи 11 (фиг. 1, 2) определяют по формуле L= V_тк•T_тк с помощью вычислителя расстояния 7, на входы которого подают электрические сигналы с выходов вычислителя скорости 4 и таймера 6. С выхода вычислителя расстояния 7 на вход алфавитно-цифрового дисплея подают электрический сигнал, пропорциональный расстояния L до места течи 11, для индикации этого расстояния на экране дисплея. Вычислитель скорости 4, блок 3 измерения видеосигнала и периода накопления заряда строки, блок 5 включения-выключения таймера, таймер 6, вычислитель расстояния 7 могут быть выполнены на интегральных микросхемах [6].

Литература
1. Кондратьев А.Г. и Лукин М.И. Техника промышленного телевидения, 1970 г., стр. 19, 192.

2. Хромов Л.И., Лебедев Н.Б., Цыпулин А.К., Куликова А.Н. Твердотельное телевидение, 1986 г., стр. 15, 64-68.

3. Сборник тезисов докладов первой Международной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов в области приборостроения - Интерприбор-90, секция 1 "Приборы и средства автоматизации", Москва, 1990 г., стр. 37-38.

4. Гуглин И. Н. Электронный синтез телевизионных изображений, Москва, 1979 г., стр. 206-209.

5. Справочник по элементам радиоэлектронных устройств. М.: Энергия, 1977 г., стр. 248-249, 190.

6. Интегральные микросхемы. Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1985 г.

Тепловизорный течеискатель предназначен для определения течи в трубопроводах с помощью электрических устройств. Тепловизорный течеискатель содержит канал изображения трубопровода с течью и канал определения местоположения течи, заключающий дисплей 2 с индикацией на его экране расстояния до места течи и тепловизорную камеру 1, выполненную в виде преобразователя свет - сигнал на многоучастковой матрице приборов с зарядовой связью, подключенную одним своим выходом к дисплею, а другими выходами - к блоку 3 измерения видеосигнала и периода накопления, выход которого соединен с вычислителем скорости 4, выходы последнего подключены к входам блока включения - выключения таймера 5 и вычислителя расстояния 7, другой вход которого соединен с таймером 6, а выход - с дисплеем, соединеным с блоком включения - выключения таймера. 4 ил.

Тепловизорный течеискатель, содержащий канал изображения трубопровода с течью и канал определения местоположения течи, включающий дисплей с индикацией на его экране расстояния до места течи и перемещающуюся вдоль трубопровода тепловизорную камеру, отличающийся тем, что тепловизорная камера, содержащая преобразователь свет - сигнал на многоучастковой матрице приборов с зарядовой связью, подключена одним выходом к дисплею, а другими выходами - к блоку измерения видеосигнала и периода накопления, выход которого соединен с вычислителем скорости, выходы последнего подключены к входам блока включения - выключения таймера и вычислителя расстояния, другой вход которого соединен с таймером, а выход - с дисплеем, связанным с блоком включения - выключения таймера.