348Иванов МВТУ им. Баумана

УДК 621.9.016
Идентификация быстропротекающих процессов горения с помощью
стробоскопического метода.
М.П. Бороненко, А.А. Иванов
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
профессионального образования «Югорский государственный университет»
628012, г. Ханты-Мансийск, Россия
Актуальность работы.
Методы скоростной (10 -10-6с) и сверхскоростной (10-7-10-10с) регистрации,
быстропротекающих процессов, непрерывно развиваются и совершенствуются в связи
с интенсивными исследованиями взрывных явлений, импульсных электрических и
лазерных разрядов в конденсированных системах, газах и плазме. Оптические методы
регистрации являются наиболее перспективными, благодаря их высокой
чувствительности, бесконтактности
и безынерционности. Их применение
для
определения скорости движения частиц, а так же температуры в процессах,
происходящих при плазменном напылении, напылением электровзрывом, затруднены в
связи с малым размером и высокой скоростью частиц. Использование видеокамеры
ВидеоСпринт с наносекундным затвором, позволяет произвести оценку скорости
частиц в данных процессах [1].
Постановка цели и задач исследования.
Цель исследования: апробация видеокамеры ВидеоСпринт в качестве
диагностирующего
инструмента
быстропротекающих
высокотемпературных
процессов. Для реализации исследования были поставлены следующие задачи:
- регистрация движения частицы при помощи видеокамеры ВидеоСпринт;
- преобразование изображения в числовой массив данных;
- обработка числового массива, получение данных о скорости, траектории
движущейся частицы;
Объект исследования.
В качестве диагностируемого объекта был выбран искристый огонь (бенгальский
огонь), так как его горение включает в себя СВС (самораспространяющийся
высокотемпературный синтез) и движение самосветящихся объектов.
Методы исследования.
В работе использованы методы оптической пирометрии, методы теплофизических
измерений, методы цифровой обработки информации, были сопоставлены теория и
экспериментальные результаты.
Научная новизна и практическая значимость.
Разработан высокоскоростной микропирометрический комплекс определения
температуры и скорости распространения пламен. Данный комплекс позволяет
существенно
расширить
знания
о
структурообразовании
в
условиях
быстропротекающих процессов, увеличивает возможность определения основных
теплофизических параметров, процессов СВС и плазменной обработки дисперсных
материалов.
Экспериментальная установка и физика эксперимента.
Для реализации поставленных задачи был собран экспериментальный стенд, в состав
которого входило следующее оборудование: 1- оптическая скамья; 2-бенгальский
огонь; 3-камера ВидеоСпринт; 4- электронно-оптический преобразователь (ЭОП); 5монитор; 6-системный блок; 7-клавиатура (рис. 1).
-4
Оптическое излучение бенгальского огня через объектив высокоскоростной
видеокамеры ВидеоСпринт падает на фотокатод, преобразуясь в поток электронов,
который усиливается на микроканальных пластинах, а затем на люминофорном экране
ЭОПа преобразуется в излучение [2]. После, излучение
попадает на
светочувствительную область матрицы прибора с зарядовой связью (ПЗС), где
происходит экспозиционное (от 20 нс до 20 мкс) накопление заряда (размер
светочувствительной области - 15.3*12.3мм, диагональ 19.67мм; размер пикселя 12*12мкм). Затем происходит оцифровка данных аналого-цифровым преобразователем
(АЦП) разрядностью 10 бит; и запись видеофайлов - 8 бит. После дискретизации и
квантования сигнала в АЦП изображение в памяти видеокамеры представляет собой
матрицу, каждый элемент которой является пикселем определённой яркости.
Рис. 1. Высокоскоростной микропирометрический комплекс измерения температуры и
скорости распространения пламён.
Особенностью данной видеокамеры является наличие стробируемого электроннооптического преобразователя (ЭОП). Стробоскопический эффект достигается тем, что
после срабатывания затвора ЭОП происходит дополнительное срабатывание затвора
выбранное количество раз с установленным интервалом. Во время стробируемого
режима длительность импульса, отпирающего ЭОП, определяет время экспозиции
кадра. При этом на экране ЭОП формируется количество изображений, равное числу
дополнительных срабатываний затвора. В данной видеокамере используется
стробирование “фотокатод – вход МКП”, т.к. выключенном состоянии электроны не
достигают МКП при любом уровне облучения фотокатода.
Математическая модель идентификация траектории
быстро перемещающегося объекта.
При сгорании многих пиросоставов происходит диспергирование частиц
непрореагировавших компонентов, в первую очередь частиц металлических порошков,
а также капель расплава окислителя (нитрата). Это выбрасывание в газовую фазу
мельчайших частиц обусловливается тем, что образующиеся в конденсированной фазе
газы отрывают и увлекают за собой в пламя твердые (и жидкие) частицы компонентов
состава. Таким образом, можно предположить, что основная масса частиц
двигаться по баллистической траектории.
будет

  
at 2
,
r  r0  V0 t 
2
Если же к частице при выбросе случайно прилип горящий порох, то движение будет
реактивным.
t
x(t )  v0 t  u r  ln
0
M0
dt ,
M (t )
*Где ur-относительная скорость отделения продуктов сгорания; v0-начальная скорость;
M0-масса в начальный момент времени.
Для экспериментального определения скорости искр были получены
фотографии треков с помощью видеокамеры ВидеоСпринт, формироване изображения
на которой происходило в ПЗС. В общем случае матричные ПЗС предназначены для
формирования электрического видеосигнала, адекватного двумерному оптическому
изображению, спроецированному на его светочувствительную поверхность. За время
накопления заряда в светочувствительной области ПЗС летящие светящиеся частички
сдвигаются на расстояние, зависящее от скорости, с которой движется каждая из них.
Т.о. мы получаем изображение в виде пространственного распределения
энергетической освещенности на плоскости, в виде двумерных массивов точек. Точка
на 2-D сетке называется пикселем (pixel или pel). Эти названия являются сокращениями
понятия picture element (элемент изображения). Пиксель представляет энергетическую
освещенность в соответствующем месте сетки. Поэтому, изображение следа искрытрека наблюдается на мониторе в виде области(линии), яркость пикселей которой выше
фоновой яркости.
Для съёмки кадров использовалась четырнадцатикратная мультиэкспозиция с
интервалом от 44 мкс, поэтому трек летящей частицы разбивается на 14 частей.
Рис. 2. Характерные треки частиц бенгальского огня полученные с помощью камеры
ВидеоСпринт в режиме мультиэкспозиции.
Так как частицы двигаются, то изображения разнесены по полю кадра. Необходимым
условием такого режима, является отсутствие отраженного света от различных
поверхностей (стен, конструктивных элементов) находящихся в поле изображения.
Обработка видеофайлов, полученных в ходе эксперимента, осуществлялась в свободно
распространяемой программе ImageJ. Для адекватной интерпретации полученных
данных о длинах трека был сделан дополнительный снимок линейки. Перед обработкой
данных в программе ImageJ была произведена установка пространственной шкалы с
помощью снимка масштабной линейки. Численные значения скорости и построение
графиков были получены в программе Origin 7 Pro. Ниже приведены характерные фото
и графики движения частиц бенгальского огня.
Рис. 3.
Изображение
частицы.
трека
разгона
Рис.5. Изображение трека торможения.
Рис. 4. Зависимость скорости частицы от
времени для трека разгона.
Рис. 6. Зависимость скорости частицы от
времени для трека торможения.
Исходя из анализа полученных данных о скорости полета частиц большинство
из них летит по баллистической траектории. А для обнаружения частиц с реактивным
движением, необходима большая статистика. При отсутствии режима мульти
экспозиции проведение данного исследования становится невозможным, т.к.
без
мультиэкспозиции можно получить всего 1-2 трека, разница в длинах которых
объяснялась бы простой погрешностью.
Температурная динамика и тепловая структура волны горения.
Определение температуры горения пиросоставов имеет большое значение, так как
температура является критерием для оценки существующих составов и облегчает
создание новых, более совершенных составов.
Для использования видеокамеры в качестве высокоскоростного пирометра была
проведена калибровка видеокамеры по эталонной температурной лампе ТРУ1100-2350.
Яркостная температура лампы равна на определённой длине волны температуре
абсолютно чёрного тела (АЧТ), при которой яркости АЧТ и лампы одинаковы.
Изображение, вольфрамовой нити накала было представлено в шкале серого. Серая
шкала отображает интенсивность света в каждом пикселе полученного изображения в
области видимой части электромагнитного спектра и дало линейную зависимость
яркости пикселей изображения от яркостной температуры лампы.
Рис. 7. Соответствие яркостной температуры лампы градациям яркости пикселей
изображения при съёмке 1000 кадров в секунду
При обработке изображений яркость пикселей сопоставляется яркостной
температуре лампы [3].
Линейная аппроксимация экспериментальных данных даёт соответствие яркостной
температуры градациям серой шкалы с разбросом 3градации, что соответствует. Т.к.
при температуре объекта 2000 0С засветки кадров не наблюдалось, была проведена
интерполяция калибровочной прямой на более высокие температуры. Так получена
яркостная температура исследуемого объекта, при необходимости можно перейти к
истиной(термодинамической) температуре. Яркостная и истинная температуры связаны
отношением:
1
С С

Т и  2  2  ln  ( , Т и )  .
  Тя

Известно, что в разных зонах пламя имеет разную температуру, и когда говорят о
температуре пламени, то обычно подразумевают температуру в самой горячей зоне.
Калибровка видеокамеры по температуре позволяет в любой интересующей точке
изображения определить температуру путём наведения на неё курсора. Цифровые
данные о температуре в каждой точке 2D плоскости сохраняются в текстовом файле.
Дополнительная визуализация значений температуры осуществлялась в программе
Origin. Для этого, например, выбрав самую яркую область, выделяем линию, вдоль
которой хотим выяснить температурный профиль- температуру вдоль линии в один и
тот же момент времени. Данные из текстового файла переводятся в цифровой формат и
строится график Т(Х).
Рис. 8. Линия, вдоль которой определён
температурный профиль
Рис. 9. Температурный профиль выбранной линии.
а)
б)
Рис. 10. Линия, вдоль которой определён
температурный профиль а)0,036 с; б) 0 с.
Рис. 11. Температурный профиль линии в
разные моменты времени.
Подобным образом строиться поверхность, соответствующая распределению
яркостной температуры 2D. Так как съёмка велась в режиме мультиэкспозиции, то для
неподвижных объектов яркость увеличивалась, т. к. затвор срабатывал 14 раз и
неподвижные объекты не разнесены по полю кадра. При калибровке видеокамеры
отношение яркости изображения, полученного в режиме мультиэкспозиции (14
импульсов) к яркости изображения без мультиэкспозиции равно 1,147. Поэтому если не
известно какая часть исследуемого объекта начала двигаться, а какая продолжала
покоиться, то результат, полученный простым делением на 1,147 будет занижен для
движущихся участков и завышен для покоящихся. Поэтому, при изучении
температурных полей необходимо либо, чтобы объект перемещался, либо вести
наблюдение в одноимпульсном режиме.
Рис. 12. Изменение температурного поля со временем.
В нашем случае максимально наблюдаемая температура 3000 0С, но объект
неподвижен, поэтому, наблюдаемая температура 26080С. В любом случае, данная
цифра превышает допустимую температуру пиросостава. Оценка максимального
значения средней температуры по всей наблюдаемой в данном файле области даёт
21500С без учёта завышения результата измерения из-за мультиэкспозиции.
Выводы.
В ходе апробации видеокамеры ВидеоСпринт в качестве диагностического
инструмента быстропротекающих процессов были получены следующие результаты:
1. Исходя из анализа полученных данных о скорости полета частиц
большинство из них летит по баллистической траектории. А для
обнаружения частиц с реактивным движением, необходима большая
статистика.
Для
экспериментального
определения
скорости
быстропротекающих процессов целесообразно использовать режим
мультиэкспозиции, т.к. без неё можно получить всего 1-2 трека, разница в
длинах которых можно объяснить простой погрешностью.
2. При изучении температурных полей самосветящихся объектов во избежание
внесения ошибки, необходимо либо, чтобы объект перемещался, либо вести
наблюдение в одноимпульсном режиме. При наблюдении перемещения
изолиний температуры хорошо видно как распространяется тепловая волна:
происходит отток тепла из одной области в другую, при котором происходит
прогрев вещества в холодной области, что даёт дополнительную
возможность изучения процесса горения.
Было установлено, что использование видеокамеры ВидеоСпринт
эффективно изучать быстропротекающие высокотемпературные процессы.
позволяет
Литература и источники:
1.
2.
3.
Гуляев И.П., Гуляев П.Ю., Долматов А.В. Трековый анализ скорости частиц и
определение фундаментальной диаграммы потока ламинарного плазмотрона
//Ползуновский альманах.- 2008.-№2.-C.13-14.
Гуляев П.Ю., Иордан В.И., Гуляев И.П., Соловьев А.А. Оптико-электронная
система диагностики двухфазных потоков динамическим методом счета частиц
// Изв. вузов. Физика, 2008, Т.51, №9/3, С. 79-87.
Иордан В.И., Гуляев П.Ю., Евстигнеев В.В. Комплекс методов цифровой
обработки изображений для исследования эффектов локальной неустойчивости
и нестационарности волны горения процесса СВС // Ползуновский вестник,
2005, №4 (ч.1), С. 152-170.
4.
Publishing house Education and Science s.r.o.//Дни Науки 2012// URL:
http://www.rusnauka.com/10_DN_2012/Tecnic/12_103951.doc.htm/
(дата
обращения 14.05.2012)
5.
Gulyayev P.Yu., Evstigneyev V.V., Philimonov V. Yu. The Temperature
Conductivity of the Reacting Mediums // Advances In Condensed Matter &
Materials Research, Volume 2, Nova Science Publishers, Inc., New York, 2002, P.
235-241.