Цели и задачи работы:
— разработка автоматизированного метода ЖКТ на основе колориметрического анализа изображения, сохранённого в электронном виде и цифровая обработка этого изображения с получением семейства заданных идентифицированных и редактируемых изотерм- -разработка метода и изготовление установки для цветотемпературной калибровки ЖК-термоиндикатора;
— исследование нетрадиционных цветовых характеристик ЖК-термоиндикатора для получения дополнительной тепловой информации. На защиту выносятся:
1. Метод и установка для цветотемпературной тарировки ЖКч. термоиндикатора в условиях различных поперечных тепловых потоков.
2. Метод кластерного анализа для идентификации областей изображений с нечёткими границами, реализованный в компьютерной программе.
3. Методы, связанные с проведением изотерм и иных изолиний с помощью прямоугольной сетки значений и в условиях областей с произвольными границами, реализованные в компьютерной программе.
4. Методы интерактивного выделения пользователем, идентификации и редактирования как отдельных изолиний, так и их сегментов.
В последние двадцать лет термотропные жидкие кристаллы (ЖК) широко использовались для визуализации температурных полей, причем если до девяностых годов они давали лишь качественную картину распределения температур либо выделяли только одну изотерму, сфотографированную через фильтр, то в девяностые годы, с развитием компьютерной и видеотехники, стало возможным получать точную и полную температурную информацию на всей' площади селективного отражения ЖК, используя метод цветоанализа.
Методы градуировки ЖК.
Под градуировкой здесь понимается способ получения и представления количественной информации о температуре поверхности, ибо в начале 80-х исследователи часто обходились субъективными понятиями типа «больше 37, меньше 39 градусов Цельсия», ведь ЖК меняет свой цвет в мезофазе от красного к синему в диапазоне около пяти градусов, и чисто субъективно легко отличить красный от зеленого, а зеленый от синего и, следовательно, угадывать значение температуры с точностью до двух и меньше градусов. Таким образом определяли температуру, например, в [9], где, по утверждению автора, достигнута погрешность плюс-минус один градус. Хотя некоторые цвета можно интерпретировать и с меньшей неоднозначностью[3].
В работе [1] (1981) для выделения изотермы использовали монохроматический источник света — натриевую лампу, излучающую на длине 589 нм, получая таким образом точное положение одной изотермы, независимое от субъективности человеческого восприятия.
В 1982 г. работе [2] был предложен «Новый метод термографирования.», где в качестве нагревателя использовалась майларовая пленка с нанесеным тонким прозрачным слоем золота, под которой далее был слой ЖК, далее черная краска (как поглотитель непродифрагировавшей половины света) — толщина каждого слоя не, превышала несколько десятков микрони далее теплоизолятор. Набегающая струя охлаждала снаружи этот «сэндвич», и подобные схемы, как наиболее корректные с точки зрения теплофизики (минимальный градиент поперек слоев), использовались в дальнейшем и другими авторами.
4], [5]).
Для получения точных значений температур фотографировалось поле на черно-белую пленку через поглощающим светофильтр, или использовался, как и в предыдущей упомянутой работе, монохроматический источник света, и получалась узкая светлая линия, соответстствующая какой-то определенной (с точностью ± 0.25 градусов) температуре.
Подобным методом пользовались авторы большинства работ по ЖК-термографии в бывшем СССР. С учетом известной мощности, выделяемой пленочным электронагревателем, находился коэффициент теплообмена у этой линии. Изменяя мощность нагревателя и повторяя фотографирование, составлялась карта теплообмена для данного стационарного течения. Однако долгая и многократная процедура установления нового стационарного теплового режима, необходимость многократного фотографирования являлись недостатками метода.
В 1989 Акино и др. [6] усовершенствовали метод: производилась многократная съемка через ряд сменных интерференционных фильтров, максимум пропускания каждого соответствовал одной из изотерм. Регистрирующим прибором служила черно-белая видеокамера, соединенная с видеомагнитофоном. Изображение оцифровывалось и обрабатывалось на компьютере.
Несколько изотерм можно получить, если наложить несколько слоев различных ЖК на поверхность исследуемого объекта, если их температурные диапазоны не перекрываются и в то же время достаточно близки. На рис. 13 представлена визуализация тепловой картины при натекании горизонтальной струи, полученная таким методом (автором). Весь спектр селективного отражениякаждого ЖК — от синего к красномуздесь представлен светлой линией, поэтому этот метод выгодно использовать при больших (вдоль поверхности) градиентах температур.
В работах [8], [9], [11], [12] использовался метод компьютерного цветоанализа, о котором впервые упоминается" в [7], 1988 год. Суть его состоит в том, что вводится функция Ьие = f (г, Ь), монотонно и непрерывно зависящая от его температуры X, и позволющая провести калибровку (Ьие) и далее получать значения температур на рабочих снимках с ЖК. Методы калибровки ЖК.
Калибровка (синоним — тарировка), то есть нахождение точной зависимости температуры от цвета — это отдельный эксперимент, который обязательно приходится проводить для каждого ЖК.
При обзоре литературы выявлены пять основных методов калибровки.
Метод водяной ванны с постоянной температурой использовался в работах [13], [14].
Температура воды в ванне контролировалась с точностью до 0.1° С. Цвет ЖК-образца калибровался при повышении температуры шагами по 0.1° С по всему спектру. Тонкий слой ЖК наносился на стекло, а нагретая вода циркулировала с другой стороны для получения изотермической поверхности. В [14], [15] ,[16] слой ЖК был запакован в прозрачную пленку перед погружением его в воду.
Лист фольги из нержавеющей стали использовался в [17], где цвет кристалла подстраивался изменением небольшого напряжения тока, проходящего через фольгу. Термопары были приклеены с другой стороны фольги. Как выяснилось при тестировании этого метода, получить однородное поле температур здесь сложно. Автор также пробовал подобный метод калибровки, но напряжение 1−5 В прикладывалось к фольге, имеющей форму вытянутой трапеции, так что джоулева мощность тепловыделения менялась вдоль фольги линейно, и кроме того, весь видимый спектр можно было перемещать вдоль трапеции, изменяя напряжение. Недостаток аналогичный — температурный фронт получается неустойчивый.
Тонкий медный диск с термопарами, внедренными в центре верхней поверхности, над которыми прикреплялся слой алюминиевой фольги для улучшения теплопроводности, использовался для калибровке в [18]. Черная краска и ЖК наносились на фольгу сверху аэрозольным методом, покрывая малую площадку в центре диска. Вся эта сборка помещалась на горячий медный нагреватель. Регулировкой мощности калибровался весь спектр ЖК.
Несколько плоских термопар были установлены в различных местах на плоской поверхности теплообмена [19], и сверху распрыскивался слой черной краски и ЖК. Однако цвет (выраженный как hue, см. далее), в определенных положениях неточно отражает локальную температуру поверхности, особенно для ЖК с узкими диапазонами.
Метод линейного распределения температуры использован дляопределения температурно-цветовой зависимости ЖК в [20] и [21]. Это наиболее общий и традиционный метод [25]. Медную прямоугольную пластину с нанесенными сверху слоями черной краски и ЖК подогревают с одного конца и охлаждают с противоположного. В пластину зачеканены несколько термопар. На одном снимке можно получить сразу все цвета спектра ЖК и соответствующие им температуры по показаниям термопар (между ними — линейная интерполяция). Но еще в [21] отмечались трудности поддержания линейности распределения температуры из-за конвективных потоков окружающего воздуха, неоднородности * материала. Для того, чтобы минимизировать, конвективные потери и возмущения, пластину помещают в небольшой стеклянный бокс. Но еще возникает проблема: вследствие наличия нормального к пластине температурного градиента показания термопар, зачеканенных внутри, могут быть неадекватными температуре поверхности, которую индицирует цвет ЖК.
В работах отечественных авторов [22], [23], [24] для тарировки использовался медный диск с циркулируемой водой термостата с тыльной стороны, температура измерялась с точностью 0,1°, и заодно контролировалась угловая зависимость селективного отражения. ЖК, инкапсулированный в полимерную плёнку на чёрной подложке, приклеивался к полированной внешней медной поверхности.
Вопросы освещения, при съёмке и теоретические основы колориметрии подробно изложены в [26] и [27].
Интересные эксперименты по исследованию теплообмена струй различных форм, набегающих на нагретую поверхность, описаны в [28].
Если сравнивать ЖКТ с термоиндикаторами плавления, которые использовались для аналогичной цели, например в [29] при изучении теплообмена в аэродинамическом экспериментето последние давали информацию только об одной температуре — при которой происходило плавление, и это явление было необратимым. ЖКТ же демонстрируют диапазон температур, и работают как при нагревании, так и охлаждении. Но сильная зависимость цвета от угла наблюдения и чувствительность к сдвиговому напряжению ограничивает применение ЖКТ в аэроэксперименте. Применение ЖКТ в условиях сверхи гиперзвуковых потоков нереально.
В работе [30] описано применение современных термоиндикаторов плавления в условиях гиперзвуковых потоков и люминесцентных преобразователей давления при трансзвуковых потоках. Исследования последних упомянутых двух работ проводились в аэродинамических трубах ЦАГИ.
Обобщая вышесказанное, можно сказать, что применение ЖКТ ограничено температурами от 20° до 120° Цельсия, диапазон измерений температуры обычно лежит в пределах 4° для одного образца, при измерениях нежелательны большие поперечные тепловые потоки и сдвиговые напряжения (они тоже изменяют цвет ЖК).
в воде на поверхности.
Рис. 54. Сравнение калибровок одного ЖК, полученных в случае погружения образца в воду (левая кривая), и помещённого на окно термостата с наружной стороны (правая). Освещение одинаковое.
100 ;
ISO ;
160 — 160.
110 — Освещено вспышкой 140.
110 ¦ 120loo- (U 100ж.
— С se — // 80.
60 • вс.
10- //.
10 — го.
0 — II— 7—1-¦—1-'—1−1-г——1— -1— ' ¦ t—1 оJ.
Галоген пампа.
• ¦
I ¦
•. ¦ Вспышка.
36.0.
36.S.
37.0 temperature г—.
37. S.
38,0.
Рис. 55. Калибровочная кривая с доверительными интервалами. Съемка фотовспышкой.
Рис. 56. Сравнение при съёмке одного ЖК при разных видах освещения.
Действие ЖК основано на явлении дифракционного отражения световой волны определённой длины от разных слоев органических молекул по правилу Вульфа-Брегга:
2d* sincp = к*Х где X — длина отраженной волны, a d — расстояние между соседними планарными слоями ЖК. Именно последнее и подвержено температурному изменению, превращая ЖК в чувствительный элемент. При этом отражается свет не строго одной длины волны, а достаточно широкого диапазона, и эта немонохроматичность при съёмке неспектральными приборами i даёт модуляцию канала насыщенности.
Предположения и наблюдения Можно предположить, что при наличии градиента температуры поперёк слоёв межслойное расстояние d будет монотонно меняться от слоя к слою, и соответственно в отражённом свете увеличиваться степень немонохроматичности АХ, что на изображении должно сказаться в виде уменьшения насыщенности. Подтверждает это предположение наблюдение автором поведения слоя ЖК на нагреваемом объекте: в начале прогрева цветная картина, характеризующая температуру, является тусклой, и лишь через несколько секунд получает максимальную насыщенность.
Интересен анализ изображений, которые получены для воздушной струи, набегающей на нагретую пластину (см. рис. 58 и 59). Здесь видно, что картина насыщенности (на рис. 59 дан вариант канала 0.5 S + 0.5 Вг, на> рис. 58 а и б — соответственно S и Н е выделением рельефа и с тенью для наглядности) имеет какую-то регулярную структуру. На графике (рис. 60) выведены радиальные зависимости этих величин. Виден максимум насыщенности, в то время как hue (и температура) монотонно падает. Такое поведение некоторых параметров характерно для перехода ламинарного течения струи у поверхности в турбулентное [59]. Эти и некоторые другие наблюдения привели к мысли провести эксперимент, где бы создавался заведомо откалиброванный поперечный тепловой поток.
Экспериментальная установка. По существу, это усовершенствованное устройство для тарировки цвета ЖК по температуре (см. рис.45). Как и прежде, создаётся вертикальный тепловой поток путём нагревания верхних слоев воды. Температура с глубиной уменьшается и создаётся тепловой клин с достаточно ровными горизонтальными изотермами. При данном способе нагрева не возникает конвективный теплообмен, только теплопроводность воды определяет процесс. Затем ванна и вместе с ней видеокамера с осветителями медленно наклоняются до нужного угла (рис. 61). Герметичная крышка с прижимным устройством, держащая пластину с датчиками и ЖК, позволяет доводить угол до 90° без проливания водыпри этом достигается максимальный градиент температур. Специальный фиксатор позволяет удерживать нужный угол наклона всей конструкции, значение угла считывается с транспортира. Термопары заменены на полупроводниковые датчики сопротивления конструкции Карманова, выполненные в тонких стеклянных сапожках игольчатой формы диаметром 1 мм, что позволяет обеспечить надёжный тепловой контакт с жидкостью.
Две галогенные лампы, расположенные по бокам камеры, освещают пластину с ЖК с двух сторон под углом 45°. Их яркость регулируется ЛАТром .
Зная угол наклона и распределение температуры вдоль измерительной пластины (с помощью интерполяции, Глава 1) легко определить тепловой поток в направлении крышка-дно вследствие теплопроводности воды.
С?х = кат/ах, и поперечную компоненту = С^чОС., где коэффициент теплопроводности к принимается равным 0.7 Вт/м град (стекло), так как ЖК нанесён между двумя стеклянными пластинами (рис. 62) Полученные снимки не выявили каких-либо новых цветовых характеристик, зависящих от поперечного теплового потока. Во всяком случае, в воспроизведённых интервалах тепловых потоков (рис. 63). Но возможно использовать и известный канал Н, если применить сборку из двух ЖК-плёнок и промежуточного прозрачного резистивного слоя, раскрашенного в чёрно-прозрачную клетку (рис. 57). Это может быть слюда или иной аналогичный материал с однородными тепловыми свойствами. Первый слой ЖК (прозрачный) даёт цвето-температуру верхнего слоя на фоне чёрных квадратиков, а через прозрачные клетки видна цвето-температура нижнего слоя (зачерненного). Разность температур в 0.1 градуса уже различима, и такую «клетчатую» картину легко расшифровать и восстановить в «сплошную», используя компьютерную обработку изображения. Так, используя слюду (к ~ 0.5 Вт/мтрад) толщиной 0.5 мм и измеряя перепады температур от 0.1 до 5 градусов, можно измерять тепловой поток вдоль поверхности в интервале 100 — 5000 Вт /м2, точность зависит от однородности сборки.
Рис. 57. Схема предлагаемого оптического датчика тепловых потоков.
Рис. 58 а, б. Снимки (ретушированы для публикации) ЖК-ичображенин струи, падающей нормально на плоскость. Справаканал hueиспользуется для определения температуры, слева — канал насыщенности цвета (saturation) — пока не используется. -¦ Hue.
Position.
Рис. 59. Изображение комбинированного канала 0.5saturation + 0.5brightness (без ретуши). Стрелкой указана радиальная линия, вдоль которой взяты значения яркости пикселов различных каналов для соседнего графика.
Рис. 60. Графики значений яркостей, взятых для одних и тех же точек вдоль радиального отрезка (см. пред. рис.) для каналов Hue (цвет), Saturation (насыщенность) и комбинированного канала.
Рис. 61. Установка для гарировочной съёмки жидкого кристалла позволяет изучать влияние поперечного теплопотока на цветовые характеристики ЖК-термоипдикатора.
Рис. 62. Схема определения теплового потока С? п. направленного нормально к измерительной пластинке, по показаниям термодатчиков и углу наклона.
Рис. 63. Снимки калибровки ЖК, выполненные при углах наклона 0. 20 и 45 градусов. Изменения цвета 1ше и температуры отображены серым клином, поперечные тепловые потоки С}п равны 0 на левом, 51 -26 на среднем и 140 — 90 вт/мг на правом снимках.
Таким образом, проведены тарировочные опыты для ЖК-термоиидикаторов двух типов: наносимых вручную на поверхность и инкапсулированных в плёнки и определены их цветотемпературиые характеристики.
Выяснено, что наличие поперечного теплового потока не приводит к заметному искажению температурных данных, хотя и снижает их точность вследствие слабой стационарности теплового процесса, а калибровка на границе раздела двух сред даёт сдвинутое значение температуры по отношению к случаю, когда ЖК помещён внутри среды.
В исследованном диапазоне поперечного теплового потока (до 300 Вт/м2) не выявлены цветовые характеристики, позволяющие однозначно идентифицировать величину этого потока или градиента температур.
Высокая цветотемпературная чувствительность позволяет прогнозировать создание оптического датчика тепловых потоков при комбинировании двух разных плёночных ЖК-термоиндикаторов с близкими характеристиками.
Заключение
.
1. Разработана комплексная программа визуализации температурных полей с помощью ЖКТ, реализующая колориметрический подход, имеющая дружественный интерфейс, работающая в операционной среде Windows со стандартными файлами растрового изображения, алгоритмы которой позволяют: а) обрабатывать данные, полученные при цветотемпературной калибровке ЖКТб) отображать на основе калибровки температуру исследуемого объекта в указанных точках его изображенийв) выделять объекты с нечёткими границами и с цветовыми свойствами, задаваемыми пользователемг) автоматически строить и выводить изображение в виде изотерм или иных изолиний с задаваемым шагом, с возможностью их выделения и удобной демонстрациид) редактировать полученные изолинии целиком или по частяме) сохранять визуальные результаты в виде файлов векторной графики.
2. Разработан метод и изготовлена установка для калибровки ЖКпроведены и проанализированы тарировочные опыты для ЖК-термоиндикаторов в разных условиях и определены их цветотемпературные характеристики.
3. Выявлено, что наличие поперечного теплового потока не приводит к заметному искажению температурных данных, хотя и снижает их точность вследствие нестационарности теплового процесса.
4. В исследованном диапазоне поперечного теплового потока (до 300 Вт/м2) не выявлены цветовые характеристики, позволяющие однозначно идентифицировать величину этого потока или градиента температур.
5. Высокая цветотемпературная чувствительность позволяет предложить создание оптического датчика тепловых потоков при комбинировании двух плёночных ЖК-термоиндикаторов, разделённых тонким теплорезистивным однородным слоем, имеющим шахматный порядок прозрачности.
