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, 2002 г., 2003 г., 2004 г.;

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

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

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

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.

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».