ОПТИКО-ТЕЛЕВИЗИОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ВИЗУАЛЬНОГО КОНТРОЛЯ И ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ РАЗМЕРОВ
OPTICAL TELEVISION DEVICE FOR REMOTE VISUAL MONITORING AND MEASUREMENT OF LINEAR DIMENSIONS

Изобретение относится к измерительным приборам неразрушающего контроля технологического оборудования атомных электростанций в условиях затрудненного доступа, в сильных радиационных полях, в жидких и воздушных средах, а именно для дистанционного визуального контроля реакторного пространства, внутренней поверхности технологических каналов, элементов графитовой кладки, подводных металлоконструкций транспортно-технологических емкостей, трубопроводов, сосудов, емкостей, полостей и т.п. для дистанционных бесконтактных измерений линейных размеров наблюдаемых дефектов и элементов конструкций, для дистанционных бесконтактных измерений расстояния до измеряемых дефектов и элементов конструкций, а также для наблюдения за технологическими операциями в бассейнах выдержки топлива, технологических шахтах, хранилищах радиоактивных отходов.
Известно телевизионное устройство для определения дальности (патент РФ 2081440, G01S 17/46, опубликовано 10.06.1997). Устройство для определения дальности содержит два жестко связанных и разнесенных на базовое расстояние телевизионных датчика, синхрогенератор, два селектора по длительности и амплитуде и устройство определения временного рассогласования. Сигналы с каждого из датчиков поступают на контрольные селекторы по длительности, элементы совпадения, схему сравнения, а затем через линию задержки на вход триггера, второй вход которого через счетчик и дешифратор строк связан с синхронизатором. Выходной сигнал триггера подается на два электронных коммутатора, на которые также поступают сигналы телевизионных датчиков через селекторы по амплитуде и длительности. Выходы электронных коммутаторов заведены на вход устройства определения временного рассогласования, определяющего дальность. Технический результат: увеличение достоверности измерений и точности определения дальности.
Указанное устройство обладает некоторыми недостатками. Точность измерения дальности зависит от точности юстировки телевизионных датчиков: оси датчиков должны быть параллельны. Процедура юстировки датчиков достаточно сложна, кроме того, при эксплуатации происходит разъюстировка устройства. Конструктивно указанное устройство невозможно использовать для измерения дальности в условиях затрудненного доступа, в сильных радиационных полях, внутри емкостей, полостей, сосудов и т.п. Кроме того, указанное устройство не позволяет производить измерение линейных размеров наблюдаемого объекта.
Известно устройство измерения радиального зазора между торцами лопаток вращающегося ротора и корпусом турбины газотурбинного двигателя (патент РФ №2415379, G01B 11/14, опубликовано 27.03.2011), относящееся к измерительной технике. Устройство может быть использовано для определения радиальных зазоров между торцами лопаток вращающегося ротора и корпусом турбины при экспериментальных исследованиях и доводке газотурбинных двигателей (ГТД). Устройство измерения радиального зазора между торцами лопаток вращающегося ротора и корпусом турбины газотурбинного двигателя содержит эндоскоп бокового зрения и регистратор изображения зазора. Эндоскоп бокового зрения выполнен в виде двух перископических наблюдательного и осветительного зондов, установленных в двух разнесенных отверстиях на корпусе турбины. При этом оптические оси зондов пересекаются в области измеряемого зазора и образуют с касательной плоскостью к поверхности спинки рабочей лопатки турбины у выходной кромки углы зеркального падения и отражения. Причем осветительный зонд снабжен источником света сине-фиолетовой области спектра, а наблюдательный зонд содержит телекамеру с полосовым оптическим фильтром, имеющим пропускание в том же спектральном диапазоне. Оптические системы зондов формируют параллельные пучки лучей освещения и наблюдения. Технический результат - повышение точности измерения в высокотемпературных турбинах ГТД.
Указанное устройство обладает некоторыми недостатками. Точное измерение величины зазора производится при определенном заданном расстоянии между эндоскопом и лопатками. При этом точность измерений будет зависеть от качества коллимации пучка лучей осветительным зондом: чем меньше расходимость пучка лучей, тем выше точность. Это предъявляет высокие требования к конструкции и юстировке осветительного зонда. Те же самые соображения относятся и к наблюдательному зонду, поскольку на фотоприемнике формируется проекция зазора в отраженном свете.
Известен прибор смотровой, выбранный в качестве прототипа, предназначенный для осмотра стенок и определения углового размера и положения дефекта сухих вертикальных скважин ступенчатой конструкции: прибор смотровой РВП-489, техническое описание и инструкция по эксплуатации Г.38.82.047 ТО; завод-изготовитель - КОМЗ (Казанский оптико-механический завод).
Оптическая схема прибора РВП-489 состоит из поворотного зеркала; объектива, состоящего из трех линз и предназначенного для бокового и кругового наблюдения; двухлинзового склеенного объектива; одиннадцати телескопических систем, чередующихся последовательно одна за другой и состоящая каждая из двух двухлинзовых склеенных объективов; защитного стекла; поворотного зеркала; окулярной части, включающей двухлинзовый склеенный объектив и окуляр. В качестве источника света применяется лампа К10.5080 ГОСТ 4019-74.
Конструктивно прибор состоит из осветителя; трубы с одним двухлинзовым склеенным объективом; десяти телескопических труб; одной телескопической Г-образной трубы; окулярного устройства.
Осветитель, телескопические трубы и окулярное устройство крепятся между собой резьбовым соединением и цилиндрическими направляющими.
Резкость изображения рассматриваемой поверхности достигается перемещением окуляра вдоль оси. Окулярное устройство может поворачиваться относительно сетки объектива с перекрестием на 360 градусов.
Осветительная система состоит из следующих элементов: осветителя с лампой; проводников тока, одним из которых является корпус прибора, вторым - провод, проложенный внутри прибора. При соединении труб, а также осветителя электрический контакт обеспечивается контактными кольцами, запрессованными в торцы стыковочных втулок; шнура с выключателем; трансформатора. На приборе имеется контактная муфта, на которую надевается зев выключателя со шнуром. Вилка шнура соединяется с осветительной сетью через трансформатор. Рым-болт на Г-образном звене предназначен для извлечения прибора из скважины.
Недостатками прототипа являются: негерметичность прибора; возможность измерения только угловых размеров дефектов; круговое наблюдение с центральным экранированием; ограничение поля зрения («залунение») при изгибе эндоскопа; возможность нарушения электрического контакта при изгибе эндоскопа; отсутствие возможности видеодокументирования и получения телевизионного изображения; необходимость демонтажа прибора при контроле скважин на разных высотах.
Задачей настоящего изобретения является разработка оптико-телевизионного устройства для проведения дистанционного визуального контроля технологического оборудования в жидких и воздушных средах, в сильных радиационных полях, для дистанционных бесконтактных измерений линейных размеров наблюдаемых дефектов и элементов конструкций, для дистанционных бесконтактных измерений расстояния до измеряемых дефектов и элементов конструкций.
Поставленная задача решается тем, что оптико-телевизионное устройство для дистанционного визуального контроля (рис.1) содержит осветитель, объективы, формирующее звено, передающие звенья, Т-образное звено, компенсатор, зрительную трубу, видеомодуль, контроллер, блок питания и управления, персональный компьютер. В отличие от прототипа в заявленном изобретении используют:
- боковую 1 и торцевую 2 оптические в качестве осветителя; насадки не имеют центрального экранирования;
- четырехлинзовый формирующий объектив 3 с фокусным расстоянием f'=20 мм и сменные формирующие объективы 4, 5 и 6 соответственно с фокусными расстояниями f'=40, 70 и 130 мм, изготовленные из радиационностойкого стекла; комплект сменных объективов позволяет реализовать как микроскопический, так и телескопический режимы наблюдения;
- формирующее и передающие звенья; для передачи между звеньями эндоскопа питающего осветитель напряжения используют в стыковочных втулках звеньев подпружиненные контактные кольца, обеспечивающие надежный электрический контакт при изгибе эндоскопа; для стыковки звеньев между собой и с оптическими насадками используют стыковочные втулки с уплотнительными кольцами из радиационностойкой резины, обеспечивающие герметичную стыковку звеньев друг с другом и возможность работы в радиационных полях.
- Т-образное звено 9 для стыковки эндоскопа одновременно с видеомодулем 12, компенсатором 10 и зрительной трубой 11; представляет собой оптико-механический узел с поворотным зеркалом, установленным на оси вращения в центре звена с углом между осью вращения зеркала и оптической осью эндоскопа, равным 45 градусам; предусмотрена возможность фиксации двух положений зеркала, устанавливаемых вручную с помощью рычага, для переноса изображения либо на фотоприемник видеомодуля (зеркало выводится из светового пучка), либо через зрительную трубу на сетчатку глаза наблюдателя. Это позволяет осуществлять либо визуальное наблюдение через зрительную трубу, либо телевизионное на экране телевизора или монитора ПК без демонтажа устройства;
- зрительную трубу 11 и компенсатор 10, установленный перед зрительной трубой и содержащий два оптических клина с возможностью вращения вокруг оптической оси для устранения ограничения поля зрения, возникающего при изгибе эндоскопа;
- видеомодуль 12, включающий: два оптических клина, проекционный объектив с микрометрической подвижкой и малогабаритную телевизионную камеру в качестве фотоприемника, снабженные электроприводами и контроллером.
- контроллер, осуществляющий: преобразование питающего напряжения до уровней, необходимых для работы электродвигателей, видеокамеры и управляющей электроники; преобразование управляющего кода в непосредственные сигналы управления электродвигателей; вывод объектива видеомодуля на начальное положение при старте системы; фиксирование смещения объектива относительно начального положения; выдачу информации о смещении объектива видеомодуля на блок питания и управления;
- блок питания и управления 15, осуществляющий: преобразование питания сети до уровня, необходимого контроллеру видеомодуля и управляющей электронике, прием видеосигнала от видеомодуля и передачу на внешнее устройство отображения и/или записи - монитор, видеорегистратор, персональный компьютер (ПК). Управляющая электроника осуществляет: преобразование сигналов настройки резкости, вращения клиньев и поворота камеры в управляющий последовательный код; выдачу управляющего кода на видеомодуль; прием сигналов обратной связи от видеомодуля и передачу их на ПК;
- персональный компьютер 17; прикладное программное обеспечение ПК осуществляет захват видеоизображения, прием информации о смещении объектива видеомодуля с блока питания и управления и измерение величины изображения дефекта (элемента конструкции и т.п.) между выбранными Пользователем на изображении дефекта точками. На основе информации о смещении объектива и величине изображения дефекта осуществляется расчет величины дефекта на объекте исследования и расчет расстояния до измеряемого дефекта.
Общая последовательность сборки устройства показана на рисунке 1, оптическая схема устройства показана на рисунке 2. С помощью рым-болта 13 и стропа видеомодуль 12 подвешивается на крюк крана. Затем к видеомодулю 12 последовательно посредством резьбовых соединений пристыковываются Т-образное звено 9, компенсатор 10, зрительная труба 11, необходимое количество передающих звеньев 8 (до 15), формирующее звено 7, один из объективов (3, 4, 5 или 6 - в зависимости от поставленной задачи), оптическая насадка 1 или 2. Оптическая насадка 1 используется для бокового обзора, насадка 2 - для торцевого (кругового) обзора. Накидные гайки резьбовых соединений затягиваются специальным ключом для придания эндоскопу жесткости и повышения надежности электрического контакта.
Работает устройство следующим образом. Склеенная линза 19 формирующего объектива (рис.2) через окно 18 оптической насадки создает промежуточное изображение 20 предмета. Далее промежуточное изображение 20 склеенной линзой 21 формирующего звена, склеенными линзами 22 и 23 передающего звена, клиньями 28 видеомодуля и объективом 29 видеомодуля переносится на светочувствительную поверхность 30 фотоприемника, в качестве которого используется малогабаритная телевизионная камера. Световое изображение преобразуется фотоприемником в видеосигнал, который по кабелю 14 (рис.1) передается на блок питания и управления 15 и далее по видеокабелю 16 - на персональный компьютер 17. При необходимости для видеозаписи используется видеомагнитофон или видеорегистратор. Клинья 28 (рис.2) имеют возможность вращения вокруг оптической оси. Для этого каждый из клиньев 28 снабжен электроприводом, управление которыми осуществляется с блока питания и управления 15 (рис.1) по кабелю 14. Клинья вращаются до полного устранения ограничения поля зрения. Настройка резкости изображения производится подвижкой объектива 29 (рис.2) видеомодуля вдоль оптической оси. Подвижка объектива осуществляется с помощью шагового электропривода, управляемого дистанционно с блока питания и управления 15 по кабелю 14 (рис.1).
Для ориентации изображения на экране монитора предусмотрено вращение телекамеры вокруг оптической оси с помощью электропривода, управляемого дистанционно с блока питания и управления 15 по кабелю 14 (рис.1). Все электроприводы, расположенные в видеомодуле, а также телекамера запитываются с блока питания и управления 15 по кабелю 14 постоянным напряжением.
В устройстве предусмотрен режим визуального наблюдения исследуемого объекта глазом через зрительную трубу 11 (рис.1), состоящую из склеенной линзы 26 и окуляра 27 (рис.2). Настройка резкости изображения производится подвижкой окуляра 27. Для реализации режима визуального наблюдения в оптической схеме устройства предусмотрено поворотное зеркало 24 (рис.2), конструктивно расположенное в Т-образном звене 9 (рис.1). Между Т-образным звеном и зрительной трубой устанавливается компенсатор 10 (рис.1) для устранения ограничения поля зрения при изгибе эндоскопа. Вращение клиньев 25 (рис.2) компенсатора осуществляется вручную. Т-образное звено, компенсатор и зрительная труба стыкуются посредством резьбовых соединений.
Лампы подсветки запитываются переменным напряжением. В качестве ламп подсветки используются две лампы типа КГМ-12-100, соединенные последовательно. Предусмотрена плавная регулировка величины напряжения питания ламп для выбора наиболее оптимального уровня освещенности поверхности исследуемого объекта.