Разработка метода и средств контроля показателя ослабления слабомутных сред по изменению контраста в изображении тест-объекта в виде двух штрихов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат технических наук Вдовин, Александр Александрович

• Вдовин, Александр Александрович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Вдовин, Александр Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ПО МЕТОДАМ И СРЕДСТВАМ КОНТРОЛЯ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СЛАБОМУТНЫХ СРЕД.

1.1. Классификация оптических методов и средств контроля слабомутных сред.

1.2. Анализ методов и средств контроля оптических свойств слабомутных сред и задачи диссертационных исследований.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ КОНТРАСТА В ИЗОБРАЖЕНИИ ТЕСТ-ОБЪЕКТА В ВИДЕ ДВУХ ШТРИХОВ ОТ ОПТИЧЕСКОЙ ПЛОТНОСТИ СРЕДЫ.

2.1 Описание программно-аппаратного комплекса для исследования изменения контраста от оптической плотности среды.

2.2 Выбор геометрических размеров тест-объекта и оценка погрешности при его изготовлении.

2.3 Расчет погрешности контроля показателя ослабления, вызванной формой сосуда.

2.4 Погрешность контроля показателя ослабления, вызванная изменением внешней освещенности.

2.5 Погрешность контроля показателя ослабления, вызванная шумом многоэлементного фотоприемника видеокамеры.

2.6 Погрешность контроля показателя ослабления вносимая погрешностью эталонного прибора и общая погрешность.

2.7 Выбор слабомутных сред для экспериментальных исследований.

2.8 Экспериментальные исследования контраста в изображении тест-объекта от оптической плотности микроорганизмов в жидкой питательной среде.

2.9 Экспериментальные исследования контраста в изображении тест-объекта от оптической плотности раствора марганца.

2.10 Экспериментальные исследования контраста в изображении тест-объекта от оптической плотности раствора молока.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДА КОНТРОЛЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ОСЛАБЛЕНИЯ СЛАБОМУТНЫХ СРЕД ПО ИЗМЕНЕНИЮ КОНТРАСТА В

ИЗОБРАЖЕНИИ ТЕСТ-ОБЪЕКТА.

3.1. Разработка математической модели зависимости показателя ослабления от контраста в изображении тест-объекта.

3.2 Метод определения зависимости значения импульса между двух штрихов от параметра М.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 4. РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДИК И СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ ЖИДКИХ И ГАЗООБРАЗНЫХ СРЕД ПО ПОКАЗАТЕЛЮ ОСЛАБЛЕНИЯ.

4.1 Описание программно-аппаратного комплекса.

4.2 Методика контроля концентрации клеток ткани.

4.3 Методика контроля концентрации раствора марганца.

4.4 Методика контроля производительности ингалятора ультразвукового типа «Муссон».

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка метода и средств контроля показателя ослабления слабомутных сред по изменению контраста в изображении тест-объекта в виде двух штрихов»

Контроль мутных сред относятся к числу важнейших задач, стоящих в медицине, микробиологии, химии, промышленности и т. д. По оптическим характеристикам мутных сред определяют концентрацию, состав, форму веществ, находящихся в среде. В связи с бурным развитием микробиологии, химии, генной инженерии появились новые требования к контролю мутных сред. Так, если раньше в микробиологии требовалось определение морфологии микроорганизмов, то теперь на первый план выходит задача определения влияния различных факторов на изменение популяции микроорганизмов, что влияет на рассеивающие и поглощающие свойства среды. Известные средства контроля мутной среды не отвечают современным требованиям. Так, например, известно, что колориметрическим методом контролируют показатель поглощения. Однако с высокой точностью контроль показателя поглощения выполняется только тогда, когда среда - слаборассеивающая. С ростом рассеяния света возрастает погрешность контроля этого показателя. Аналогичный недостаток присутствует и в нефелометрическом методе. Нефелометры используют для контроля рассеивающих свойств.

Обобщенной оптической характеристикой среды является показатель ослабления. Чтобы осуществить контроль показателя ослабления необходимо одновременно применить колориметр и нефелометр, либо прибор, основанный на механическом сканировании. Однако одновременное применение нефелометра и колориметра - задача трудоемкая и дорогостоящая, а применение прибора, основанного на методе механического сканирования, значительно снижает производительность контроля.

Известен метод контроля показателя ослабления среды, который получил название «метод типографского шрифта». В этом методе оператор визуально определяет показатель ослабления по изменению контраста в определенном наборе букв. Однако визуальная реализация этого метода не позволяет выполнить высокопроизводительный и высокоточный контроль показателя ослабления.

В настоящее время технические и вычислительные средства позволяют разработать метод контроля показателя ослабления, который значительно превысит возможности метода типографского шрифта.

Целью работы является разработка метода и средств контроля показателя ослабления слабомутных сред по изменению контраста в изображении тест-объекта с помощью видеокамеры на основе многоэлементного фотоприемника.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- разработать экспериментальную установку, включающую в себя тест-объект, видеокамеру, персональный компьютер и специализированное программное обеспечение;

- провести экспериментальные исследования зависимости контраста в изображении тест-объекта от оптической плотности различных слабомутных сред с применением стандартного колориметра фотоэлектрического КФК-2МП, как эталонного прибора;

- разработать математическую модель зависимости контраста в изображении тест-объекта от показателя ослабления;

- разработать методики контроля показателя ослабления по изменению контраста в изображении тест-объекта для различных слабомутных сред и внедрить в НИИ и на производстве.

Научная новизна работы:

- разработана математическая модель зависимости между значением контраста в изображении тест-объекта в виде двух штрихов с коэффициентом заполнения равным 0,5 и показателем ослабления среды;

- разработан метод контроля показателя ослабления, отличающийся от субъективного метода типографского шрифта научно установленной количественной зависимостью между значением контраста в изображении тест-объекта и показателем ослабления.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработанный метод позволяет выполнять высокопроизводительный и высокоточный контроль показателя ослабления среды. Результаты диссертационной работы могут быть положены в основу контроля не только жидких сред, но и аэродисперсных систем. Метод измерения и контроля показателя ослабления используется в учебном процессе Алтайского государственного технического университета им. И. И. Ползунова для студентов специальности 19.09.00 «Информационно-измерительная техника и технологии».

Реализация и внедрение результатов исследований. Методики и программа, разработанные в диссертационной работе, были внедрены в Государственном унитарном научном центре клинической и экспериментальной медицины СО РАМН в г. Новосибирске, ОАО «Барнаульский геофизический завод» и на Алтайском приборостроительном заводе «Ротор».

Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

- международной научно-технической конференции «Измерение, контроль, информатизация», Барнаул, 2002г., 2003г., 2004г.;

- всероссийской научно-технической конференции «Методы и средства измерений физических величин», Нижний Новгород, 2004г.;

- всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Наука и молодежь», Барнаул, 2004г.;

- международном конгрессе «Биоинформатика. Биоинформационные и биоэнергоинформационные технологии», Барнаул, 2001г., 2002г., 2003г.

Публикации. Основное содержание работы изложено в одиннадцати публикациях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений, изложена на 120 листах, содержит 13 рисунков, 10 таблиц и списка литературы из 89 наименований.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Вдовин, Александр Александрович

ВЫВОДЫ

1. Разработана методика контроля показателя ослабления суспензии клеток в жидкой питательной среде. Методика и программное обеспечение внедрены в Государственном унитарном научном центре клинической и экспериментальной медицины СО РАМН в г. Новосибирске.

2. Разработана методика контроля показателя ослабления раствора марганца. Методика и программное обеспечение внедрены в лаборатории химического анализа ОАО «Барнаульский геофизический завод».

3. Разработана методика контроля показателя ослабления аэрозоля, применяемого в ингаляторе ультразвукового типа «Муссон». Методика и программное обеспечение внедрены в группе медицинских приборов Алтайского приборостроительного завода «Ротор».

- 77 -ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе исследована зависимость контраста в изображении тест-объекта в виде двух штрихов и показателя ослабления слабомутной среды. На основе анализа результатов диссертационной работы получены следующие выводы.

1. Разработан новый метод контроля показателя ослабления слабомутной среды по изменению контраста в изображении тест-объекта в виде двух штрихов. Реализация метода обеспечивает контроль показателя ослабления при минимальном объеме среды 40 мл, время контроля составляет 0,02 с, случайная погрешность не превышает 1,62%.

2. Разработано программное обеспечение, позволяющее получать выходные данные, которые могут быть использованы для решения научных и производственных измерений значения контраста и показателя ослабления.

3. Экспериментально установлено, что зависимость между логарифмом контраста и оптической плотностью носит линейный характер. Коэффициент линейной корреляции для различных сред при количестве экспериментальных пар от 23 до 26, лежит в диапазоне от 0,88 до 0,97.

4. Проведенные эксперименты показали изменение тангенса угла наклона линии регрессии, описывающей зависимость контраста от оптической плотности среды. Тангенс угла наклона возрастает с увеличением показателя рассеяния исследуемой среды.

5. Установлено, что тест-объект, обладающий размерами светлого штриха равным 2 мм и коэффициентом заполнения равным 0,5, является оптимальным по критерию линейного изменения контраста в максимальном диапазоне контроля и минимальной систематической погрешности контроля. При этом величина логарифма начального контраста в изображении должна составлять 0,3 ч- 0,35.

6. На основе экспериментальных данных получена математическая модель зависимости контраста в изображении тест-объекта от показателя ослабления среды. Из математической модели разработана инженерная формула расчета показателя ослабления. Показатель ослабления обратно пропорционален толщине слоя контролируемой среды и прямо пропорционален логарифму отношения измеряемого контраста к начальному.

7. Теоретически установлено, что изменение сигнала, между двух штрихов в изображении тест-объекта линейно зависит от изменения соотношения функции рассеяния к размеру штриха тест-объекта в диапазоне 0,7 - 1,17. Данный вывод хорошо согласуется с результатами экспериментальных данных линейного изменения контраста от показателя ослабления.

8. Разработан метод контроля показателя ослабления суспензии клеток в жидкой питательной среде. Метод и программное обеспечение внедрены в Государственном унитарном научном центре клинической и экспериментальной медицины СО РАМН в г. Новосибирске.

9. Разработан метод контроля показателя ослабления раствора марганца. Метод и программное обеспечение внедрены в лаборатории химического анализа ОАО «Барнаульский геофизический завод».

10. Разработан метод контроля показателя ослабления аэрозоля, применяемого в ингаляторе ультразвукового типа «Муссон». Метод и программное обеспечение внедрены в группе медицинских приборов Алтайского приборостроительного завода «Ротор».

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Вдовин, Александр Александрович, 2004 год

1. Алексеев В. Н. Количественный анализ. М: Химия — 1972.

2. Апенко М. М., Дубовик Л. С. Прикладная оптика. М: Наука, 1982.

3. Бахвалов Н. С. Численные методы М: Наука 1987.

4. Биргер М. О. Справочник по микробиологическим и вирусологическим методам исследования М: Медицина-1982.

5. Борн М, Вольф Э. Основы оптики. М: Наука, 1970.

6. Братко И. Программирование на языке ПРОЛОГ для искусственного интеллекта М: Мир-1990.

7. Бурдун Г. Д. Основы метрологии М: Издательство стандартов-1975.

8. Василенко Г. И. Восстановление изображений М: Радио и связь, 1986.

9. Воробьев А. А. Микробиология М: Медицина-1994.

10. Ю.Воробьев А. А. Микробиология М: Медицина, 1994г.

11. ГОСТ 13088-67 Колориметрия. Термины буквенные обозначения.

12. ГОСТ 15114-78 Системы телескопические для оптических приборов.

13. ГОСТ 1770-74 Посуда мерная лабораторная стеклянная, Цилиндры Мензурки, колбы пробирки. Технические условия.

14. ГОСТ 19908-90 Тигли, чаши, стаканы, колбы, воронки, пробирки и наконечники из прозрачного кварцевого стекла. Общие технические условия.

15. ГОСТ 20903-75 Кюветы прямоугольные кварцевые для спектрофотометров. Основные требования. Технические требования.

16. ГОСТ 21815.0-86 Преобразователи электронно-оптические. Общие требования при измерении энергетических и оптических параметров.

17. ГОСТ 21815.18-90 Преобразователи электронно-оптические. Метод измерения пространственной ЧКХ.

18. ГОСТ 25336-82 Посуда и оборудование лабораторные стеклянные. Типы, основные параметры и размеры.

19. ГОСТ 29024-91 Анализаторы жидкостей турбидиметрические и нефелометрические. Основные требования и методы испытаний.

20. ГОСТ 29044-91 Посуда лабораторная стеклянная. Принципы устройства и конструирование мерной посуды.

21. ГОСТ 29227-91 Посуда лабораторная стеклянная. Пипетки градуировочные. Ч. 1. Общие требования.

22. ГОСТ 29228-91 Посуда лабораторная стеклянная. Пипетки градуировочные. Ч. 2.

23. ГОСТ 29228-91 Посуда лабораторная стеклянная. Пипетки градуировочные. Ч. 3.

24. ГОСТ 7601-78 Физическая оптика. Термины, буквенные обозначения и определения основных величин.

25. ГОСТ 7851-74 Посуда стеклянная химическая лабораторная. Горловина. Внутренний диаметр.

26. ГОСТ 8.332-78 Световые измерения.

27. Грин. Аэрозоли пыли, дымы и туманы. Л.: Химия, 1972.

28. Грошев А. П. Технический анализ М: ГНТИ ХЛ 1958.

29. Гуревич М. М. Фотометрия. Теория, методы и приборы. Л.: Энергоатомиздат 1983г.

30. Дарахвелидзе П. Delphi 4 СП: БХВ СанктПетербург-1999.

31. Казанцев Г. Д. Измерительное телевидение М: Высшая школа-1994.

32. Колориметр фотоэлектрический концентрационный КФК2. Паспорт.

33. Корн Г. Справочник по математике М: Наука-1978.

34. Королев Ф. А. Курс физики. Оптика. М: Просвещение, 1984.

35. Коростелев П. П. Лабораторные приборы технического анализа. М: Металлургия, 1987.

36. Крешков А. П. Курс аналитической химии. Количественный анализ. М: Химия 1982 .

37. Крешков А. П. Основы аналитической химии. М: Химия -1970.

38. Технические условия ИЛКЮ.941582.003ТУ Ингалятор ультразвукового типа «Муссон-1М», АПЗ «Ротор», 1999г.

39. Кухланг X. Справочник по физике М: Мир-1982.

40. Ляликов Ю. С. Физико-химические методы анализа. М: Химия 1974.

41. Малпас Дж. Реляционный язык ПРОЛОГ и его применение М:Наука-1990.

42. МИ 2002-89 Системы информационно-измерительные. Организация и порядок проведения метрологической аттестации.

43. Мирошников М. М. Теоретические основы оптико-электронных приборов -Л: «Машиностроение» , 1983г.

44. Мудров А. Е. Численные методы для ПЭВМ на языках Бейсик, Фортран и Паскаль. Томск: МП Роско, 1991.

45. Новицкий П. В. Оценка погрешностей результатов измерений. Л: Энергоатомиздат.

46. Пименова М. Н. Руководство к практическим занятиям по микробиологии М: МГУ-1995.

47. Пиотровский Я. Теория измерений для инженеров М: Мир 1989.

48. Порфирьев Л. Ф. Основы теории преобразования сигналов оптико-электронных системах М: Машиностроение-1989.

49. Практикум по физико-химическим методам анализа. М: Химия 1987.

50. Пронин С. П. Оценка качества информационно-измерительной оптико-электронной системы. Барнаул: Изд-во АлтГТУ 2001.

51. Рабинович Е. Г. Погрешности измерений Л: Энергия 1978.

52. Ракитин В. И. Практическое руководство по методам вычислений М: Высшая школа-1998.

53. Руководство к практическим занятиям по микробиологии М: Изд-во МГУ, 1995г.

54. Савельев И. В. Курс общей физики ч 2 3 М: Наука-1987.

55. Скворцов Г. Е. Микроскопы Л: Машиностроение-1969.

56. Сокольский М. Н. Допуски и качество оптического изображения М: Машиностроение-1989.

57. Унифицированные методы анализа вод. М: Химия 1971.

58. Упор Э. Фотометрические методы определения следов неорганических соединений. М: Мир, 1985.

59. Физико-химические методы анализа Л: Химия 1988.

60. Хемминг Р. В. Численные методы М: Наука, 1988.

61. Хромов Л. И. Видеоинформатика. Передача и комплексная обработка видеоинформации. М: Радио и связь-1991.

62. Цифровые и оптикоцифровые методы обработки изображений Томск: ТПИ-1985.бЗ.Чуриловский В. Н. Теория оптических приборов М: Машиностроение-1966.

63. Шарко Г. Методы аналитической химии. М: Химия 1969.

64. Шлегель Г. Общая микробиология М: Мир-1987.

65. Электрические измерения М: Высшая школа-1972.

66. Юинг Г. Инструментальные методы химического анализа М: Мир 1989.

67. Большая Советская энциклопедия 1977.

68. Мудрецова-Висс К. А. Микробиология М: «Экономика», 1978г.

69. Биоинформационные и биоэнергоинформационные технологии» («БЭИТ-2002»).- Барнаул:АлтГТУ, 2002г. Т.5. С. 30-33.

70. Вдовин A.A. Пронин С. П. Анализ средств измерений коэффициента ослабления. // Измерении, контроль, информатизация: Материалы 4-ой международной НТК-Барнаул: АлтГТУ 2003 с. 37-39.

71. Вдовин А. А. Пронин С. П.Зависимость контраста в изображении тест-объекта от оптических свойств среды//Методы и средства измерений физических величин: Материалы девятой всероссийской научно-технической конференции. Нижний Новгород, 2004г. - С. 2.

72. Пронин С. П. Вдовин А. А. Анализ методов и средств контроля показателя ослабления // Измерение, контроль, информатизация: Материалы 5-ой международной научно-технической конференции Барнаул 2004г. - С. 37.

73. Вдовин А. А. Определение роста популяции микроорганизмов с помощью оптико-электронного прибора на ПЗС-фотоприемнике. // Измерение, контроль, информатизация: Материалы 3-ей международной научно-технической конференции. Барнаул, 2002г. - С. 52-55.

74. Бутакова Л.Ю., Госьков П.И., Ки Т.Г., Прокопьев В.В. Влияние каналов космоэнергетики на скорость размножения микробной популяции // биоинформационные и энергоинформационные технологии: Доклады 5-го Международного конгресса. Барнаул 2002г. ТЗ с. 51.

75. Тейлор Введение в теорию ошибок. М: Мир-1985.

76. Чепель Основы математической статистики. Барнаул: Изд-во АГМУ, 2002.

77. Колориметр фотоэлектрический концентрационный КФК-2. Техническое описание и инструкция по эксплуатации.

78. Инструкция по регулированию, ремонту и выходному контролю. ИЛКЮ.941582.003-02И. Ингалятор ультразвукового типа «Муссон-1М».

79. Леонтьев А. П. Патент №1448452 на изобретение «Способ получения аэрозолей». РОСПАТЕНТ, дата регистрация 23.04.96.