Помощь студентам в учебе
Разработка программного симулятора комплекса цифровой радиографии
|
Введение 13
1 Обзор литературы 18
2 Математическая модель оценки характеристик систем цифровой радиографии
20
2.1 Связь параметров и характеристик систем цифровой радиографии 20
2.1.1 Формирование радиографических изображений (проекций) 21
2.1.2 Интегральная эффективность регистрации 25
2.1.3 Кратность ослабления рентгеновского излучения 26
2.1.4 Радиационная толщина объекта контроля 27
2.1.5 Интегральный и дифференциальный массовые коэффициенты
ослабления рентгеновского излучения 28
2.1.6 Относительный сигнал, вызванный перепадом толщин 30
2.1.7 Относительный уровень шумов 30
2.1.8 Отношение сигнал/шум 32
2.1.9 Оценка пространственного разрешения в цифровой радиографии 33
2.2 Пример расчёта косвенных и прямых характеристик ЦР 37
2.2.1 Пример расчёта косвенных параметров систем цифровой радиографии 38
2.2.2 Пример расчёта прямых характеристик систем цифровой радиографии 40
2.3 Особенности экспериментальной оценки характеристик систем цифровой
радиографии 43
2.4 Заключение 45
3 Алгоритм симуляции изображений в комплексах цифровой радиографии .... 47
3.1 Исходные параметры системы цифровой радиографии 47
3.2 Конечные характеристики системы цифровой радиографии 49
3.3 Блок формирования предварительной информации по ослаблению гамма-
излучения 49
3.4 Блок формирования аналоговых изображений объекта контроля 52
3.5 Блок оцифровки аналоговых радиографических изображений объекта
контроля 54
3.6 Зашумление радиографических изображений 54
3.7 Предварительная обработка первичных цифровых радиографических
изображений 57
3.8 Визуализация изображений 57
3.9 Пример имитационного моделирования 58
4 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 65
4.1 Технико-экономическое обоснование НИР 65
4.2 Планирование работ по научно-техническому исследованию 66
4.2.1 Определение трудоемкости этапов НИР 67
4.2.2 Разработка графика проведения научного исследования 68
4.2.3 Расчет бюджета затрат на НИР 71
4.2.4 Основная заработная плата исполнителей темы 73
4.3 Оценка целесообразности исследования 75
4.3.1 Оценка научно-технического уровня следования 75
4.3.2 Оценка возможных рисков 76
5 Социальная ответственность 78
5.1 Производственная безопасность 78
5.1.1 Анализ вредных факторов, которые могут возникнуть в лаборатории
при проведении исследований 78
5.1.2 Микроклимат лаборатории 79
5.1.3 Повышенный уровень шумов 79
5.1.4 Недостаточная освещенность 79
5.1.5 Повышенный уровень ионизирующего излучения
5.1.6 Электрический ток 81
5.2 Экологическая безопасность 82
5.2.1 Анализ влияния процесса исследования на окружающую среду 82
5.2.2 Анализ влияния объекта исследования на окружающую среду 82
5.3 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 82
5.4 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 84
5.4.1 Специальные (характерные для проектируемой рабочей зоны) правовые
нормы трудового законодательства 84
5.4.2 Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны 84
Заключение 86
Список использованных источников 87
Приложение 93
1 Обзор литературы 18
2 Математическая модель оценки характеристик систем цифровой радиографии
20
2.1 Связь параметров и характеристик систем цифровой радиографии 20
2.1.1 Формирование радиографических изображений (проекций) 21
2.1.2 Интегральная эффективность регистрации 25
2.1.3 Кратность ослабления рентгеновского излучения 26
2.1.4 Радиационная толщина объекта контроля 27
2.1.5 Интегральный и дифференциальный массовые коэффициенты
ослабления рентгеновского излучения 28
2.1.6 Относительный сигнал, вызванный перепадом толщин 30
2.1.7 Относительный уровень шумов 30
2.1.8 Отношение сигнал/шум 32
2.1.9 Оценка пространственного разрешения в цифровой радиографии 33
2.2 Пример расчёта косвенных и прямых характеристик ЦР 37
2.2.1 Пример расчёта косвенных параметров систем цифровой радиографии 38
2.2.2 Пример расчёта прямых характеристик систем цифровой радиографии 40
2.3 Особенности экспериментальной оценки характеристик систем цифровой
радиографии 43
2.4 Заключение 45
3 Алгоритм симуляции изображений в комплексах цифровой радиографии .... 47
3.1 Исходные параметры системы цифровой радиографии 47
3.2 Конечные характеристики системы цифровой радиографии 49
3.3 Блок формирования предварительной информации по ослаблению гамма-
излучения 49
3.4 Блок формирования аналоговых изображений объекта контроля 52
3.5 Блок оцифровки аналоговых радиографических изображений объекта
контроля 54
3.6 Зашумление радиографических изображений 54
3.7 Предварительная обработка первичных цифровых радиографических
изображений 57
3.8 Визуализация изображений 57
3.9 Пример имитационного моделирования 58
4 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 65
4.1 Технико-экономическое обоснование НИР 65
4.2 Планирование работ по научно-техническому исследованию 66
4.2.1 Определение трудоемкости этапов НИР 67
4.2.2 Разработка графика проведения научного исследования 68
4.2.3 Расчет бюджета затрат на НИР 71
4.2.4 Основная заработная плата исполнителей темы 73
4.3 Оценка целесообразности исследования 75
4.3.1 Оценка научно-технического уровня следования 75
4.3.2 Оценка возможных рисков 76
5 Социальная ответственность 78
5.1 Производственная безопасность 78
5.1.1 Анализ вредных факторов, которые могут возникнуть в лаборатории
при проведении исследований 78
5.1.2 Микроклимат лаборатории 79
5.1.3 Повышенный уровень шумов 79
5.1.4 Недостаточная освещенность 79
5.1.5 Повышенный уровень ионизирующего излучения
5.1.6 Электрический ток 81
5.2 Экологическая безопасность 82
5.2.1 Анализ влияния процесса исследования на окружающую среду 82
5.2.2 Анализ влияния объекта исследования на окружающую среду 82
5.3 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 82
5.4 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 84
5.4.1 Специальные (характерные для проектируемой рабочей зоны) правовые
нормы трудового законодательства 84
5.4.2 Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны 84
Заключение 86
Список использованных источников 87
Приложение 93
Объектом исследований являются системы цифровой радиографии.
Предмет исследований - математические и имитационные модели систем цифровой радиографии.
Цель работы - разработать программный симулятор комплекса цифровой радиографии в системе MathCad.
Разработана математическая модель систем цифровой радиографии, которая позволяет рассчитать и экспериментально оценить эффективность регистрации, кратность ослабления рентгеновского излучения объектом контроля, радиационную толщину объекта, уровни сигналов и шумов. Написана программа в системе MathCad для оценки прямых и косвенных параметров систем цифровой радиографии. Сопоставление результатов расчётов и экспериментов доказывают правильность предлагаемой методики расчёта и оценки основных параметров систем цифровой радиографии.
Разработан алгоритм и реализующая его программа симуляции изображений в системах цифровой радиографии.
Разработанные модели, алгоритмы и программы использовались для обоснования возможности проектирования систем цифровой радиографии для контроля турбин и сварных швов магистральных трубопроводов.
Область применения результатов исследований связана с оценкой возможности радиографического контроля объектов, которые ранее считались непригодными к контролю.
Экономическая эффективность применения результатов исследований обусловлена снижением коммерческих и имиджевых рисков при проектировании и изготовлении уникальных систем цифровой радиографии.
Введение
В настоящее время различные реализации метода цифровой радиографии (ЦР) широко используются в различных отраслях промышленности. К таким отраслям, прежде всего, следует отнести: авиа- и ракетостроение; атомную и электроэнергетику; железнодорожный и трубопроводный транспорт; машиностроение и строительство. Ещё одна группа направлений применения систем ЦР связана с: досмотровым контролем; с обеспечением безопасности пассажирских и грузовых перевозок; с ограничением распространения наркотиков, оружия, в том числе массового поражения, и т.п. Следует отметить, что расширение приложений ЦР происходит не только по отраслям промышленности, строительства и транспорта, но и по номенклатуре изделий.
Наблюдающееся в последнее десятилетие расширение производства систем ЦР связано не только с ростом потребительских интересов, которые обусловлены желанием снижения коммерческих, экологических, имиджевых и прочих рисков, но и с появлением на глобальном рынке новых поколений источников и регистраторов (детекторов) рентгеновского излучения, отличающихся улучшенными потребительскими характеристиками. Необходимо учесть и заметный прогресс в улучшении параметров механизмов привода, вычислительной техники, специализированного программного обеспечения.
Среди источников рентгеновского излучения можно выделить современные высокоинтенсивные рентгеновские аппараты прямого действия с малым размером излучающей поверхности (фокусного пятна). Упомянутый размер фокусного пятна снизился с миллиметров до микрометров, и наблюдается тенденция к ещё большему его уменьшению. Это расширяет области применения цифровой радиографии и компьютерной томографии. Заметным явлением среди источников высокоэнергетического рентгеновского
Развитие детекторной техники происходит одновременно по нескольким
направлениям. Среди таких направлений, прежде всего, выделяется
миниатюризация элементарных радиационно-чувствительных объёмов. Здесь
определение «элементарный» соотносится с формированием единичного
пикселя радиографического изображения. В последние десятилетия самым
распространённым режимом регистрации гамма- и рентгеновского излучения
являлся интегральный режим. В настоящее время наблюдается тенденция,
которая свидетельствует об отказе в превалировании интегрального режима
регистрации. Появились малогабаритные регистраторы рентгеновского
излучения, работающие в режимах счёта и спектрометрии. Здесь понятие
«регистратора рентгеновского излучения» (РРИ) используется намеренно, так
как современные РРИ являются многоканальными системами формирования
радиографической информации. Длительный поиск производителей сенсоров,
связанный с поиском новых радиационно-чувствительных материалов высокой
плотности и с большим значением эффективного атомного номера, увенчался
успехом. Это отчасти снизило проблему уменьшения эффективности
регистрации радиометрических детекторов с уменьшением их размеров.
Выделяют две группы РРИ линейные и матричные. Впрочем, разумно считать
линейный детектор одномерной матрицей. Больший интерес привлекает
классификация РРИ по степени взаимного радиационного и светового влияния
сигналов с РРИ. Отметим, что в основном используются РРИ двух типов - РРИ
прямого преобразования и комбинированные регистраторы. В радиационно -
чувствительных объёмах РРИ прямого преобразования поглощённая энергия
рентгеновского излучения трансформируется в электрическую энергию, в
комбинированных регистраторах этот процесс состоит из двух стадий -
превращение поглощённой энергии в световую энергию сцинтиллятором и
трансформация энергии светового излучения в электрическую энергию
фотоприёмником. Комбинированные регистраторы, как правило, обладают
14
лучшими радиографическими характеристиками, чем РРИ прямого преобразования. На рынке имеются регистраторы, отличающиеся степенью взаимного радиационного и светового влияния сигналов. Далее будем вести речь исключительно о комбинированных регистраторах. В панельных детекторах наблюдается максимальная степень радиационного и оптического влияния элементарных радиационно-чувствительных объёмов друг на друга. Это приводит к снижению контраста и пространственного разрешения, которые являются основными характеристиками систем цифровой радиографии. Определение «линейный» применительно к детектору (регистратору) в настоящее время не является свидетельством обособленности элементарных радиационно-чувствительных объёмов. Чувствительный объём многих линейных РРИ представляет собой реже полоску монокристалла, чаще - поликристаллическую полоску. Уместно к упомянутым детекторам (регистраторы) применять определение «полосковый». Существующие матричные регистраторы с игольчатыми сцинтилляторами имеют наименьшую степень взаимного оптического влияния каналов друг на друга, но, как правило, заметное радиационное влияние. Снижение радиационного влияния достигается введением ослабляющих перегородок между элементарными радиационно-чувствительными объёмами. Но указанный подход приводит к появлению «мёртвых» зон, которые, впрочем, легко устраняются должной организацией сканирования. Здесь под сканированием понимается перемещения системы источник - регистратор относительно объекта контроля.
Предмет исследований - математические и имитационные модели систем цифровой радиографии.
Цель работы - разработать программный симулятор комплекса цифровой радиографии в системе MathCad.
Разработана математическая модель систем цифровой радиографии, которая позволяет рассчитать и экспериментально оценить эффективность регистрации, кратность ослабления рентгеновского излучения объектом контроля, радиационную толщину объекта, уровни сигналов и шумов. Написана программа в системе MathCad для оценки прямых и косвенных параметров систем цифровой радиографии. Сопоставление результатов расчётов и экспериментов доказывают правильность предлагаемой методики расчёта и оценки основных параметров систем цифровой радиографии.
Разработан алгоритм и реализующая его программа симуляции изображений в системах цифровой радиографии.
Разработанные модели, алгоритмы и программы использовались для обоснования возможности проектирования систем цифровой радиографии для контроля турбин и сварных швов магистральных трубопроводов.
Область применения результатов исследований связана с оценкой возможности радиографического контроля объектов, которые ранее считались непригодными к контролю.
Экономическая эффективность применения результатов исследований обусловлена снижением коммерческих и имиджевых рисков при проектировании и изготовлении уникальных систем цифровой радиографии.
Введение
В настоящее время различные реализации метода цифровой радиографии (ЦР) широко используются в различных отраслях промышленности. К таким отраслям, прежде всего, следует отнести: авиа- и ракетостроение; атомную и электроэнергетику; железнодорожный и трубопроводный транспорт; машиностроение и строительство. Ещё одна группа направлений применения систем ЦР связана с: досмотровым контролем; с обеспечением безопасности пассажирских и грузовых перевозок; с ограничением распространения наркотиков, оружия, в том числе массового поражения, и т.п. Следует отметить, что расширение приложений ЦР происходит не только по отраслям промышленности, строительства и транспорта, но и по номенклатуре изделий.
Наблюдающееся в последнее десятилетие расширение производства систем ЦР связано не только с ростом потребительских интересов, которые обусловлены желанием снижения коммерческих, экологических, имиджевых и прочих рисков, но и с появлением на глобальном рынке новых поколений источников и регистраторов (детекторов) рентгеновского излучения, отличающихся улучшенными потребительскими характеристиками. Необходимо учесть и заметный прогресс в улучшении параметров механизмов привода, вычислительной техники, специализированного программного обеспечения.
Среди источников рентгеновского излучения можно выделить современные высокоинтенсивные рентгеновские аппараты прямого действия с малым размером излучающей поверхности (фокусного пятна). Упомянутый размер фокусного пятна снизился с миллиметров до микрометров, и наблюдается тенденция к ещё большему его уменьшению. Это расширяет области применения цифровой радиографии и компьютерной томографии. Заметным явлением среди источников высокоэнергетического рентгеновского
Развитие детекторной техники происходит одновременно по нескольким
направлениям. Среди таких направлений, прежде всего, выделяется
миниатюризация элементарных радиационно-чувствительных объёмов. Здесь
определение «элементарный» соотносится с формированием единичного
пикселя радиографического изображения. В последние десятилетия самым
распространённым режимом регистрации гамма- и рентгеновского излучения
являлся интегральный режим. В настоящее время наблюдается тенденция,
которая свидетельствует об отказе в превалировании интегрального режима
регистрации. Появились малогабаритные регистраторы рентгеновского
излучения, работающие в режимах счёта и спектрометрии. Здесь понятие
«регистратора рентгеновского излучения» (РРИ) используется намеренно, так
как современные РРИ являются многоканальными системами формирования
радиографической информации. Длительный поиск производителей сенсоров,
связанный с поиском новых радиационно-чувствительных материалов высокой
плотности и с большим значением эффективного атомного номера, увенчался
успехом. Это отчасти снизило проблему уменьшения эффективности
регистрации радиометрических детекторов с уменьшением их размеров.
Выделяют две группы РРИ линейные и матричные. Впрочем, разумно считать
линейный детектор одномерной матрицей. Больший интерес привлекает
классификация РРИ по степени взаимного радиационного и светового влияния
сигналов с РРИ. Отметим, что в основном используются РРИ двух типов - РРИ
прямого преобразования и комбинированные регистраторы. В радиационно -
чувствительных объёмах РРИ прямого преобразования поглощённая энергия
рентгеновского излучения трансформируется в электрическую энергию, в
комбинированных регистраторах этот процесс состоит из двух стадий -
превращение поглощённой энергии в световую энергию сцинтиллятором и
трансформация энергии светового излучения в электрическую энергию
фотоприёмником. Комбинированные регистраторы, как правило, обладают
14
лучшими радиографическими характеристиками, чем РРИ прямого преобразования. На рынке имеются регистраторы, отличающиеся степенью взаимного радиационного и светового влияния сигналов. Далее будем вести речь исключительно о комбинированных регистраторах. В панельных детекторах наблюдается максимальная степень радиационного и оптического влияния элементарных радиационно-чувствительных объёмов друг на друга. Это приводит к снижению контраста и пространственного разрешения, которые являются основными характеристиками систем цифровой радиографии. Определение «линейный» применительно к детектору (регистратору) в настоящее время не является свидетельством обособленности элементарных радиационно-чувствительных объёмов. Чувствительный объём многих линейных РРИ представляет собой реже полоску монокристалла, чаще - поликристаллическую полоску. Уместно к упомянутым детекторам (регистраторы) применять определение «полосковый». Существующие матричные регистраторы с игольчатыми сцинтилляторами имеют наименьшую степень взаимного оптического влияния каналов друг на друга, но, как правило, заметное радиационное влияние. Снижение радиационного влияния достигается введением ослабляющих перегородок между элементарными радиационно-чувствительными объёмами. Но указанный подход приводит к появлению «мёртвых» зон, которые, впрочем, легко устраняются должной организацией сканирования. Здесь под сканированием понимается перемещения системы источник - регистратор относительно объекта контроля.
Поставленные руководителем цели и задачи были выполнены. В программе-симуляторе систем цифровой радиографии реализован способ описания ОК методом последовательного замещения. В этом методе часть внутреннего объёма объемлющего фрагмента заменяется внутренним фрагментов. Метод эффективен для небольшого числа структурных фрагментов ОК.
Программа-симулятор наиболее эффективна для имитационного моделирования систем цифровой радиографии для контроля сложных по форме ОК в случае применения предварительных фильтров для преднамеренного ужесточения пучка рентгеновского излучения. В результате предварительной фильтрации можно считать рентгеновское излучение псевдомонохроматическим, что приводит к допустимости условной замены источника рентгеновского излучения источником гамма-излучения и к повышению быстродействия программы.
Программа-симулятор наиболее эффективна для имитационного моделирования систем цифровой радиографии для контроля сложных по форме ОК в случае применения предварительных фильтров для преднамеренного ужесточения пучка рентгеновского излучения. В результате предварительной фильтрации можно считать рентгеновское излучение псевдомонохроматическим, что приводит к допустимости условной замены источника рентгеновского излучения источником гамма-излучения и к повышению быстродействия программы.