УСТРОЙСТВО КОМПЬЮТЕРНОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ТЕЛЕВИЗИОННОГО КРУГОВОГО СКАНИРОВАНИЯ ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ СВАРНЫХ ШВОВ ТРУБОПРОВОДА ИЗ ТРУБ БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА
COMPUTER SYSTEM FOR TELEVISION CIRCULAR SCANNING OF INNER SURFACE OF WELDED SEAMS OF PIPELINE FROM LARGE DIAMETER PIPES

Предполагаемое изобретение имеет отношение к телевизионному круговому (панорамному) сканированию для технологического контроля внутренней поверхности сварных швов трубопровода - сооружения из цилиндрических труб большого диаметра, соединенных между собой. Контроль сварных швов осуществляется компьютерной системой при помощи телевизионной камеры кругового сканирования в области, близкой к полусфере, а сенсором такого сканера является однострочный «кольцевой» фотоприемник монохромного (черно-белого) изображения, выполненный по технологии комплементарных структур «металл-окисел-полупроводник» (КМОП).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать устройство компьютерной системы [1], содержащее последовательно соединенные телевизионную камеру и компьютер оператора в качестве сервера, являющийся узлом локальной вычислительной сети, к которому подключены два или более персональных компьютеров, причем телевизионная камера, формирующая «кольцевой» растр черно-белого изображения, размещается внутри контролируемой цилиндрической трубы или трубопровода большого диаметра и содержит в своем составе датчик телевизионного сигнала (ДТС), состоящий из последовательно расположенных и оптически связанных точечного (одноэлементного) или многоэлементного осветителя, панорамного объектива и фотоприемника, причем геометрический центр осветителя находится на оптической оси панорамного объектива, диаметр осветителя не превышает диаметр пассивной части изображения для проекции панорамного объектива, формируемой в этой плоскости, а спектральная характеристика излучения осветителя соответствует спектральной характеристике чувствительности фотоприемника, при этом фотоприемник (сенсор) изготовлен по технологии приборов с зарядовой связью (ПЗС) и имеет форму кругового кольца, у которого линейки светочувствительных и линейки экранированных от света элементов фотоприемной области расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии и расположенному там «кольцевому» регистру, оканчивающемуся блоком преобразования «заряд - напряжение» (БПЗН), причем число элементов в каждой «кольцевой» строке фотоприемной области различно и увеличивается по мере движения к внешней периферии до максимальной величины, равной числу элементов в «кольцевом» регистре, при этом в телевизионной камере выход БПЗН фотоприемника, являющийся выходом ДТС, подключен через коммутатор к информационному входу сигнального процессора, соединенному последовательно с аналого-цифровым преобразователем (АЦП), выход управления экспозицией сигнального процессора подключен к управляющему входу блока «кольцевой» развертки видеосигнала, первый выход которого подключен к управляющим входам фотоприемной области фотоприемника, второй выход блока «кольцевой» развертки видеосигнала - к управляющим входам «кольцевого» регистра фотоприемника, третий выход блока «кольцевой» развертки видеосигнала - к входу синхронизации сигнального процессора, четвертый выход блока «кольцевой» развертки видеосигнала - к тактовому входу АЦП, пятый выход блока «кольцевой» развертки видеосигнала - к первому управляющему входу коммутатора, а шестой выход блока «кольцевой» развертки видеосигнала - к входу синхронизации блока механического сканирования ДТС, при этом второй управляющий вход коммутатора объединен с управляющим входом блока механического сканирования ДТС и подключен к входу внешнего управления телевизионной камерой, на который поступают команды, обеспечивающие ее работу в режимах «Камера» и «Сканер», причем блок механического сканирования ДТС кинематически связан с ДТС, а выход АЦП является выходом телевизионной камеры, при этом в разъем расширения на материнской плате сервера установлена плата видео, согласованная по каналам ввода/вывода, управлению и питанию с шиной сервера, содержащая блок преобразования «кольцевого» кадра в «прямоугольные» кадры (БПКП), вход которого подключен к выходу блока оперативной памяти на кадр, а выход - к выходу «сеть», причем число «прямоугольных» кадров и, соответствующих одному текущему «кольцевому» кадру для цикла полного сканирования сенсора, удовлетворяет соотношению:
г
где γ - горизонтальный угол поля зрения в градусах наблюдаемого оператором изображения, а само это преобразование выполняется программным путем.
Предполагается, что телевизионная камера прототипа [1], размещаемая внутри трубы по центру в ее сечении, при помощи электропривода по рельсам или монорельсу может перемещаться вдоль нее. В режиме «Камера» устройство прототипа [1] работает в реальном масштабе времени, позволяя оператору осуществить полный круговой обзор объекта (всех труб трубопровода) на предмет поиска участков с подозрением на технологический дефект. Такими участками могут быть и сварные швы, соединяющие между собой отдельные звенья (трубы) в цепи объекта контроля.
Если оператор обнаружил «подозрительный» участок, то он переводит устройство в режим «Сканер», реализуя последовательный съем видеосигнала первой «кольцевой» строки фотоприемника при пошаговом электромеханическом перемещении ДТС относительно контролируемого объекта на ширину пиксела этой строки, т.е. по методу сканирования изображения.
В результате обеспечивается получение сканерной записи изображения «подозрительного» участка с повышенной разрешающей способностью и соответственно с усиленной в нем способностью для правильного обнаружения оператором или роботом искомого дефекта.
8
Однако следует признать, что в такой ситуации прототип [1] способен гарантировать потенциально меньшую разрешающую способность телевизионной камеры из-за использования двумерного «кольцевого» фотоприемника по сравнению с показателем, который может быть достигнут при помощи одномерного (однострочного) сенсора, изготовленного по той же технологии (в нашем примере по технологии ПЗС). Здесь действует «золотое» правило, которое достаточно устойчиво к развитию технологии всех фотоприемников. Например, по данным [2, с. 40-41], даже появление в начале двухтысячных годов матриц ПЗС с очень большим числом элементов не вытеснило линейные сканирующие системы, которые позволяли формировать изображения с числом пикселов более l0 (12000×12000).
С другой стороны, если постановка производственной задачи означает возможность успешного применения метода телевизионного сканирования, то телевизионная камера, выполненная на базе однострочного ПЗС-сенсора, сохраняет существенный недостаток телекамеры с двумерным ПЗС-сенсором, а именно: ограниченную степень интеграции из-за самой технологии ПЗС, принципиально не позволяющей разместить на кристалле электронное «обрамление» фотоприемника.
Здесь под этим термином конкретно подразумевается блоковая совокупность, включающая в себя блок «кольцевой» развертки видеосигнала, сигнальный процессор и АЦП.
Задачей изобретения является повышение степени интеграции телевизионной камеры за счет реализации для контроля внутренней поверхности сварных швов трубопровода из труб большого диаметра метода сканирования однострочного «кольцевого» фотоприемника путем выполнения сенсора по технологии КМОП и с размещением на его кристалле электронного «обрамления».
Поставленная задача в заявляемом устройстве компьютерной системы решается тем, что в устройство прототипа [1], содержащее последовательно соединенные телевизионную камеру и компьютер оператора в качестве сервера, являющийся узлом локальной вычислительной сети, к которому подключены два или более персональных компьютеров, причем телевизионная камера, формирующая «кольцевой» растр сканируемого черно-белого изображения, устанавливается внутри трубопровода, поочередно напротив сварного шва составляющих его труб, и содержит в своем составе ДТС и блок электромеханического сканирования ДТС, причем ДТС, состоящий из последовательно расположенных и оптически связанных точечного (одноэлементного) или многоэлементного осветителя, панорамного объектива и «кольцевого» однострочного фотоприемника (сенсора), содержащего «кольцевую» однострочную фотоприемную область (мишень), а сам ДТС кинематически связан с блоком электромеханического сканирования ДТС, который осуществляет пошаговое перемещение ДТС, а, следовательно, и сенсора телевизионной камеры, на ширину «кольцевой» строки относительно контролируемого объекта; в разъем расширения на материнской плате сервера установлена плата видео, согласованная по каналам ввода/вывода, управлению и питанию с шиной сервера, содержащая БПКП, вход которого подключен к выходу блока оперативной памяти на кадр, а выход - к выходу «сеть», причем число n «прямоугольных» кадров, соответствующих одному текущему «кольцевому» кадру для цикла полного сканирования сенсора удовлетворяет соотношению (1), но при этом, в отличие от прототипа [1], сам сенсор выполнен на кристалле, изготовленном по технологии КМОП, путем реализации метода «координатная адресация», причем однострочная «кольцевая» мишень сенсора состоит из фотодиодных активных пикселов, каждый из которых имеет усилитель аналогового видеосигнала с коэффициентом усиления K, а также встроенный АЦП, при этом на общем кристалле фотоприемника размещаются и блоки, выполняющие развертку и формирование выходного напряжения цифрового видеосигнала, а именно: «кольцевой» коммутатор видеосигналов, содержащий коммутаторы видеосигнала для каждого активного пиксела мишени, которые управляются с соответствующего выхода «кольцевого» мультиплексора развертки и обеспечивают передачу видеосигнала на «кольцевую» шину видео, выход которой является выходом «Видео» фотоприемника и одновременно выходом телевизионной камеры, причем управление АЦП активных пикселов мишени сенсора осуществляется с соответствующего выхода «кольцевого» мультиплексора развертки, а в состав ДТС телевизионной камеры дополнительно введена светорегулирующая ячейка, которая выполнена на основе электрохромного прибора, установлена в заднем отрезке панорамного объектива и осуществляет пропускание светового потока на мишень сенсора или ее изолирование от этого светового потока по сигналу управления с соответствующего выхода «кольцевого» мультиплексора, который одновременно является управляющим сигналом и для блока электромеханического сканирования ДТС.
По отношению к прототипу [1] заявляемое устройство отличается технологией КМОП взамен ПЗС для изготовления однострочного «кольцевого» фотоприемника и методом «координатная адресация» его организации. Благодаря первому принципиальному отличию обеспечивается возможность интегрирования на общий кристалл не только фотоприемник с АЦП и усилителем для каждого его светочувствительного пиксела, но и блок строчной развертки, что может быть реализовано с существенным понижением общего энергопотребления.
Второе же принципиальное отличие, заключается в том, что формирование цифрового видеосигнала непосредственно в каждом активном пикселе сенсора позволяет отказаться от неизбежного протаскивания заряда для однострочного ПЗС-сенсора по всей строке, а поэтому - избежать специфичных искажений, связанных с неэффективностью переноса зарядовых пакетов.
Это означает возможность реализации в КМОП-фотоприемниках более высокой частоты опроса, превышающей частоту считывания зарядовых пакетов в односточных ПЗС-сенсорах, или при той же частоте опроса существенно увеличить число пикселов по строке, а в результате добиться адекватного выигрыша в разрешающей способности прибора.
В состав телевизионной камеры заявляемого устройства введен и новый блок, а именно: светорегулирующая ячейка, выполняющая функции «кольцевого» фотозатвора применительно к световым потокам, а не к зарядовым пакетам изображения, как в прототипе [1].
Совокупность известных и новых признаков заявляемого устройства не известна из уровня техники, поэтому предлагаемое техническое решение соответствует критерию новизны.
В заявляемом устройстве путем шагового перемещения нового «кольцевого» фотоприемника на ширину строки в направлении, которое перпендикулярно относительно неподвижной плоскости изображения контролируемого объекта, реализуется режим работы сканера с потенциально повышенной разрешающей способностью и в цифровом формате изображения.
Поэтому заявляемое техническое решение соответствует критерию о наличии изобретательского уровня.
На фиг. 1 приведена структурная схема заявляемого изобретения - устройства компьютерной системы для телевизионного кругового сканирования; на фиг. 2 - структурная схема телевизионной камеры из состава компьютерной системы; на фиг. 3 - схемотехническая организации фотоприемника телевизионной камеры; на фиг. 4 - фрагмент этого фотоприемника, иллюстрирующий подробности его конструкции; на фиг. 5 и 6 - соответственно конструкция и типовая характеристика пропускания светорегулирующей ячейки; на фиг. 7, по данным [3], представлена фотография изображения, полученного при помощи отечественного панорамного зеркально-линзового объектива; на фиг. 8 - предлагаемое оператору панорамное изображение в виде последовательности из 6-ти «прямоугольных» кадров; на фиг. 9 - эпюра управляющего сигнала (сигнала синхронизации), поясняющая работу блока электромеханического сканирования ДТС.
Заявляемое устройство компьютерной системы телевизионного кругового сканирования внутренней поверхности сварных швов трубопровода из труб большого диаметра, см. фиг. 1, содержит последовательно соединенные телевизионную камеру 1 и компьютер оператора 2 в качестве сервера, являющийся узлом локальной вычислительной сети, к которому подключены два или более персональных компьютеров в позиции 3, при этом телевизионная камера 1, размещаемая внутри трубопровода 4 и перемещаемая вдоль него по монорельсу 5, устанавливается напротив выбранного для диагностики сварного шва, содержит, см. фиг. 2, последовательно расположенные и оптически связанные осветитель 1-3, панорамный объектив 1-1, светорегулирующую ячейку 1-4 и фотоприемник 1-2, которые являются элементами или блоками ДТС (он отмечен на фиг. 2 линиями с круглыми точками), а также блок 1-6 электромеханического сканирования ДТС.
Отметим, что геометрический центр осветителя 1-3 должен находиться на оптической оси панорамного объектива 1-1, а сам он может быть установлен в соответствующем месте (отверстии) защитного стекла 1-4 телевизионной камеры.
Осветитель 1-3 должен иметь автономное питание от аккумуляторной батареи, а его диаграмма направленности совпадает с полусферой кругового обзора для панорамного объектива 1-1.
Очевидно, что диаметр осветителя 1-3 не должен превышать диаметр оптической проекции для пассивной области панорамного объектива 1-1, формируемой в этой плоскости, а спектральная характеристика осветителя 1-3 должна соответствовать спектральной характеристике чувствительности фотоприемника 1-2 (область принудительной подсветки сварного шва показана на фиг. 1 пунктиром).
Панорамный объектив 1-1 телевизионной камеры, как и в прототипе, предназначен для формирования оптического изображения кругового обзора («кольцевого» изображения), а по величине фокусного расстояния он должен быть отнесен к классу короткофокусных.
В качестве близкого примера его технического решения можно считать панорамный зеркально-линзовый объектив, конструкция которого запатентована в России отечественными специалистами из Московского государственного университета геодезии и картографии [3].
Фотография кольцевого изображения, формируемого панорамным объективом, представлена на фиг. 7. Угловое поле в пространстве предметов для этого объектива составляет 360 градусов по азимуту и может достигать (75 - 80) градусов по углу места.
Наличие пассивной (неинформативной) области в центре этой фотографии подтверждает целесообразность принятой в заявляемом решении организации принудительной подсветки контролируемого объекта. По этой причине, в перспективе можно считать конструктивно оправданным и выполнение осветителя 1-3 в составе панорамного объектива 1-1.
Светорегулирующая ячейка 1-5 предназначена для управляемого скачкообразного изменения облученности мишени сенсора 1-2 и может быть выполнена по технологии [4] на основе электрохромного прибора.
Светорегулирующая ячейка 1-5 (см. фиг. 5) представляет собой два плоскопараллельных стекла толщиной 2,5 мм, соединенные между собой в кювету так, что между внутренними поверхностями стекол образован зазор порядка 0,1 - 0,2 мм, заполненный электрохромным материалом ЭХМ-11. Внутренние поверхности стекол покрыты токопроводящим покрытием и образуют электроды, выводы которых расположены снаружи ячейки.
max
min
max
min
Световая характеристика ячейки 6 (см. фиг. 6) определяется свойствами электрохромной жидкости. Изменение коэффициента пропускания от τ (70%) до τ(1÷1,5%) составляет для ячейки величину τ/τ=70÷150 при подаче на выводы постоянного напряжения U, величина которого составляет около 1,2 В.
Однострочный «кольцевой» фотоприемник 1-2 выполнен по технологии КМОП, на кристалле которого расположены (см. фиг. 3) «кольцевая» однострочная фотоприемная область 1-2-1, «кольцевой» коммутатор 1-2-2 видеосигналов и «кольцевой» мультиплексор 1-2-3 развертки.
Однострочный «кольцевой» сенсор 1-2 реализует при формировании видеосигнала метод координатной адресации. Рассмотрим его выполнение применительно к отдельно взятому участку мишени, отмеченному на фиг. 3 пунктиром и позицией А. Как показано на фиг. 4 он имеет светочувствительную площадь 1-2-1-1, усилитель 1-2-1-2 аналогового видеосигнала и АЦП 1-2-1-3.
Цифровой видеосигнал текущего пиксела с выхода АЦП 1-2-1-3 при помощи «своего» ключевого МОП-транзистора коммутатора 1-2-2-1, управляемого с одного из выходов «кольцевого» мультиплексора 1-2-3, передается на «кольцевую» шину видео 1-2-2-2, а затем транслируется по ней на выход сенсора. В интервале считывания информации всей строки то же самое формирование цифрового видеосигнала происходит для всех активных пикселов мишени «кольцевого» фотоприемника 1-2.
Блок 1-6 электромеханического сканирования ДТС предназначен для выполнения шагового перемещения фотоприемника 1-2 с интервалом по расстоянию, равным ширине одной «кольцевой» строки.
Когда фотоприемник 1-2 находится в статичном (неподвижном) состоянии, осуществляется зарядовое накопление в светочувствительных пикселах его «кольцевой» мишени 1-2-1. При этом коэффициент пропускания светорегулирующей ячейки 1-5 максимален, обеспечивая в фотодиодах сенсора 1-2 сбор информационных зарядов.
Когда интервал накопления заканчивается, коэффициент пропускания светорегулирующей ячейки 1-5 скачкообразно уменьшается до минимальной величины, изолируя мишень сенсора 1-2, и сохраняется таким в течение всего интервала перемещения фотоприемника 1-2 за один шаг.
Управление работой блока 1-6 электромеханического сканирования и коэффициентом пропускания светорегулирующей ячейки 1-5 осуществляется синхронно при помощи сигнала, который формируется для этого на выходе «кольцевого» мультиплексора 1-2-3 развертки фотоприемника 1-2. Эпюра этого сигнала представлена на фиг. 9.
Длительность накопления зарядов информационной строки определяется освещенностью контролируемого сварного шва трубопровода 4 и чувствительностью фотоприемника 1-2. Учитывая, что электромеханическое сканирование сенсора может осуществляться принципиально медленнее, чем электронное, телевизионная камера 1 может быть справедливо названа камерой малокадрового телевидения.
к
к
Время одного акта неподвижного состояния и перемещения фотоприемника 1-2 (см. фиг. 9) составляет mT, где m - коэффициент, равный 25…50, а T - длительность стандартного телевизионного кадра.
Устройство компьютерной системы для телевизионного кругового сканирования внутренней поверхности сварных швов трубопровода из труб большого диаметра (см. фиг. 1) работает следующим образом.
Телевизионная камера 1 размещается внутри трубопровода 4 напротив выбранного для контроля сварного шва ответственными за диагностику специалистами. Оператор компьютера 2 оказывает помощь в этой работе, осуществляя по линии связи «Управление» в режиме работы устройства «Выбор объекта» непрерывное перемещение по монорельсу 5 телевизионной камеры 1 в заданное место.
к
Затем оператор компьютера 2 переводит устройство в режим работы «Сканирование». В этом режиме телевизионная камера 1 выполняет движение - «Ход» и остановку - «Паузу» с пошаговым периодом mT, реализуя формирование цифрового видеосигнала «кольцевого» кадра для записи в оперативную память компьютера 2.
г
Допустим, что текущий угол поля зрения (γ) формируемого панорамного изображения должен составлять 60 градусов по горизонтали, тогда «кольцевой» кадр записи будет включать 6 (шесть) условных областей (см. соотношение 1).
Далее в сервере 2 при помощи элемента БПКП, реализующего возложенные на него функции программным путем, осуществляется операция считывания видеосигнала, а в результате - конвертирование «кольцевого» кадра в обычные «прямоугольные» кадры и возможность предоставления этой информации на выходе «сеть» сервера.
В нашем примере цифровой видеосигнал записи для каждого «кольцевого» кадра изображения преобразуется в 6 «прямоугольных» кадров, которые могут быть предложены в виде выбранной последовательности (см. фиг. 8) оператору компьютера 2, а также операторам компьютеров 3 точно так, как и в прототипе [1].
Следует отметить, что реализация поставленной в заявляемом решении задачи по повышению степени интеграции телевизионной камеры сопровождается и мультипликативным эффектом в части упрощения ее структурной схемы по сравнению с прототипом [1].
Одновременно открывается и реальная перспектива применения предлагаемого метода для обследования состояния внутренней поверхности сварных швов применительно к трубопроводам, состоящим из труб среднего и малого диаметра.
В настоящее время все элементы структурной схемы устройства компьютерной системы для телевизионного кругового сканирования внутренней поверхности сварных швов трубопровода из труб большого диаметра освоены или могут быть освоены отечественной промышленностью.
Поэтому следует считать предполагаемое изобретение соответствующим требованию о промышленной применимости.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Патент РФ №2640755. МПК G01B 11/00, H04N 5/225. Устройство компьютерной системы для телевизионного кругового обзора внутренней поверхности труб и трубопроводов большого диаметра. / В.М. Смелков // Б.И. - 2018. - №2.
2. Цыцулин А.К. Телевидение и космос: Учебное пособие. СПб., Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2003.
3. Патент РФ №2185645. МПК G02B 13/06, G02B 17/08. Панорамный зеркально-линзовый объектив. / А.В. Куртов, В.А. Соломатин // Б.И. - 2002.
4. Разработка светорегулирующих ячеек и технологического процесса их изготовления. Технический отчет по теме «Балтика». Новгород (Великий Новгород), 1979.