Новые возможности тестирований щелевых зазоров фильтров с помощью лазерно-оптической машины АльфаИнспект

В 2020 году на предприятии Альфа Горизонт была разработана инспекционная машина для тестирования щелевых зазоров противопесочных фильтров. В основе принципа работы данного устройства лежит лазерно-оптический метод определения щелевых зазоров. Для этого используется специальная телецентрическая оптика и промышленная подсветка для дополнительного освещения щелевого зазора. Инспекционная машина имеет три оси перемещения: горизонтальная, вертикальная и угловая. Каждое из этих перемещений управляется из единого центра посредством использования специальных моторов. Перемещения по этим осям позволяют производить разные программы автоматического тестирования щелевых отверстий фильтров. Одна из сложностей разработки этой машины была связана с построением системы горизонтального перемещения, которая позволяет проводить полное тестирование фильтров до 10 метров. Инспекционная машина решает вопросы автоматической регистрации щелей с учетом разных критериев, которые предъявляются к проволочным и слотовым фильтрам. В результате тестирования системы выдает отчет в формате pdf-файла, в котором дается результаты статистической обработки измерений щелевых зазоров и их анализ по применяемым критериям годности.

Инспекционный машина имеет следующие составляющие части:

• Сканер с телецентрической оптикой для регистрации щелевых зазоров.
Основа данной системы, используется для получения оптических снимков щелевых зазоров.
• Лазерный дальномер для оптической фокусировки. Позволяет настроить разные программы тестирования для фильтров разного диаметра.
• Системный блок инспекционной машины.
Управляющая подсистема инспекционной машины. Имеет графический монитор с сенсорным экраном. Реализует методику обработки снимков щелевых зазоров и всю логику управления инспекционной машины. В результате формируется отчетная документации по тестированию фильтров.
• Система горизонтального и вертикального перемещения сканера.
Уникальная системы перемещения сканера, позволяющая проводить полное тестирование фильтров разных диметров на размер щелевого зазора на всю длину фильтроэлемента.
• Система вращения фильтров.
Опция вращения позволяет в автоматическом режиме выполнять программы
• тестирования с учетом вращения фильтроэлемента.

Основой системы является оптический микрометр или оптический сканер.

Оптический микрометр состоит из промышленного CMOS-сенсора, би- телецентрического безаберрационного объектива и промышленной подсветки измеряемой области. Управление работой инспекционной машины строится через графический интерфейс сенсорного экрана вычислительного блока системы. Изображение с сенсора сканера поступает в управляющий блок для дальнейшей обработки. На основе математических алгоритмов и данных внешней и внутренней калибровки системы делается расчет по величинам щелевых зазоров тестируемой поверхности фильтра. Данные по этим расчетам выводятся на дисплей вычислительной системы в режиме реального времени. Возможен режим работы системы, при котором при превышении размеров допусков щелевых зазоров на экран дисплея выводится предупреждение и используется световое оповещение на светофоре управляющего блока.

Оптический микрометр размещен на кронштейне, который закреплен на подвижной платформе. Ось оптического микрометра находится под углом 90 градусов по отношению к касательной проволочной поверхности фильтра на расстоянии 65 мм от этой поверхности. При этом участок должен попасть в диапазон глубины резкости оптического микрометра с точностью 1,5 мм. Для этого необходимо использование лазерного триангуляционного датчика, который с высокой точностью определяет расстояние до плоскости измерения фильтра. Он размещен на неподвижном кронштейне. Если измеренное смещение фильтра становится более 1,5 мм относительно датчика, то на контроллер подается команда на изменение расстояния от оптического микрометра до поверхности фильтра таким образом, чтобы расстояние между оптическим микрометром и фильтром сохранялось одинаковым. Для каждого диаметра фильтра необходимо отрегулировать базовое положение микрометра и датчика перед началом работы. Для наглядной демонстрации правильного положения микрометра контрольное окно дисплея с изображением текущего расстояния изменит цвет с красного на зеленый.

После настройки микрометра система готова к работе. Микрометр и лазерный датчик установлены на подвижной каретке платформы, которая перемещается вдоль фильтра по двум направляющим и реечной передаче. Для поворота фильтра используется специальный двигатель, который вращает ролики, а вместе с ним и фильтр вокруг своей оси.

Таким образом, алгоритм работы системы:

• Включение системы, инициализация программы, ввод параметров – номер партии фильтров, номер фильтра, диаметр фильтра, длина, номинальная величина зазора, шаг между зазорами, критерий допусков.
• Настройка высоты положения микрометра относительно фильтра, чтобы сенсор находился в диапазоне измерения. При этом соответствующее окно дисплея из красного станет зеленым.
• Запускается измерение по одной из предустановленных программ тестирования, платформа начинает движение. Происходит замер щелевых зазоров в соответствии с выбранной программой.
• В память записываются номер зоны тестирования, номер щели, ее размер и расстояние до фильтра.
• Предусмотрен режим работы датчика, когда при обнаружении дефекта он останавливается или возвращается на место дефекта и подсвечивает его.
• По итогу сканирования фильтра по выбранной программе производится математическая обработка результатов замеров с анализом статистики распределения зазоров и выделения среднего размера щели, среднеквадратического отклонения, выделения дефектных участков, анализ годности изделия в соответствии с выбранным критерием годности фильтра по требованиям системы качества производства Заказчика.
• Формируется отчет по результатам тестирования. Фотографии дефектов сохраняются в памяти ПК.

Достижение прецизионной точности работы инспекционной машины основано на двух составляющих:

• Применение телецентрической оптики. При этом не только би- телецентрического объектива для высокоскоростной промышленной камеры, но и телецентрического излучателя, формирующий пучок строго параллельных лучей. Это позволяет в несколько раз уменьшить размытость края, повышая его четкость и контраст для вычисления щелевого зазора.
• Использование специального алгоритма, позволяющего с высокой точностью проводить аппроксимацию контуров различной формы.

Точность данного метода определяется, главным образом, качеством изображения контура объекта. В данный момент существующие алгоритмы работают на основе выделения контуров между светлой и «теневой» частью, работающие на основе

пороговой обработки или Фурье-преобразовании. Определить контур с высокой точностью бывает сложно, особенно используя «стандартную» подсветку. Устройство работает на основе модифицированного под текущие задачи интеллектуального алгоритма, использующего математическую модель человеческого глаза. Алгоритм «осветляет» спектр изображения и корректирует суммарную яркость с помощью адаптации локальных яркостей. Другой важной особенностью алгоритма является способность к удалению пространственно-временного шума с одновременным увеличением детализации изображения. Алгоритм позволяет существенно увеличить контрастность краев изображения, откорректировать локальные яркости и фон. Данное свойство особенно полезно при засветках, переотражениях или наоборот недостаточной освещенности.

Таким образом алгоритм обладает следующими функциями:

• среднечастотное улучшение детализации;
• ослабление высокочастотного пространственно-временного шума;
• зоны с высокой яркостью не маскируют детализацию в темных областях изображения;
• логарифмический алгоритм сжатия яркостей сохраняет высокую детализацию при недостаточной освещенности. Данный алгоритм позволит выделять контуры мелких деталей с точностью лучше 1 мкм.

В рамках разработки аппаратно-программного комплекса инспекционной машины реализуются несколько программ тестирования щелевых зазоров фильтров. Набор программ тестирования в дальнейшем может расширяться.

• Тестовая программа. Программа реализует вариант замеров щелевых зазоров и заключается в тестировании фильтра по одному направлению по поверхности фильтра используется для замера N щелей по выбранному направлению. Программа используется для прохождения поверки показаний щелевых замеров с эталонными измерениями, проводимые на основе более точных инструментов измерений.
• Стандартная программа. Программа соответствует основной схеме тестирования проволочных фильтров, принятых в большинстве требованиях заказчиков продукции нефтяных фильтров. Программа состоит в выборке 200 замеров (50 замеров по четырем зонам с поворотом фильтра вокруг оси на 90 градусов между зонами).
• Программа сквозного замера. В этой программе тестирования осуществляется замер всех щелевых по одному выбранному направлению.
• Программа сквозного тестирования по 4 направлениям. В этой программе тестирования осуществляется сквозной замер по четырем направлениям с поворотом фильтра на 90 градусов вокруг оси. Замер по всей длине – возврат на место парковки – поворот фильтра на 90 градусов – повтор операции 4 раза

Перспективы развития методов автоматического тестирования фильтров связаны со следующими факторами:

• Автоматическое тестирования фильтров на точность щелевых зазоров позволяет ускорить процесс приемки изготовленной продукции фильтров.
• Данный вид тестирования повышает точность измерений щелевых зазоров.
• Автоматическое тестирование фильтров соответствует общемировому тренду в области контроля качества производства фильтров для нефтегазовой промышленности.
• Указанные в разработке машины методике могут применяться и для продольно- щелевых или слотовых фильтров.