ВИЗНАЧЕННЯ кута змочування ЗАСОБАМИ машинного ЗОРУ
Тесленко Михайло Геннадійович
студент 5 курсу, кафедра автоматизації виробничих процесів ХНУБА, Україна, г. Харьков
Пермяков В'ячеслав Іванович
науковий керівник, канд. техн. наук, проф. ХНУБА, Україна, г. Харьков
Змочування - поверхневе явище, що виникає при зіткненні рідини з поверхнею твердого тіла або іншої рідини, яка не змішується з першою (так зване виборче змочування). Рівноважний крайовий кут змочування визначається нахилом поверхні рідини (наприклад, краплі) до змоченою нею поверхні твердого тіла; вершина кута знаходиться на лінії змочування. Змочування впливає на багато процесів, тому важливим завданням стає визначення кута змочування.
Зазвичай використовуються два різних підходи для вимірювання крайового кута матеріалів: оптичне і силове вимір поверхневого натягу (тензіометрія). У даній роботі застосовується оптичний метод.
Для обробки зображення необхідно використовувати програмне забезпечення. Для поставленої задачі доцільно застосувати пакет LabVIEW і IMAQ Vision, де реалізовані модулі обробки і захоплення зображень, що значно спрощує роботу.
Визначити кут змочування можна з використання математичного апарату. З точки зору геометрії, лінії розділу фаз є еліпс і пряму, яка цей еліпс перетинає. Розглянемо побудову еліпса за допомогою засобів Mathcad (рис. 1). Зображення будується дискретно. Для побудови використовуються 50 точок. Еліпс будується в залежності від заданих значень піввісь. У такому випадку, якщо відомі значення осей еліпса і координати прямої, стає можливим побудова дотичної в точці їх перетину, і, відповідно, визначити кут змочування.
Малюнок 1. Побудова еліпса в средеMathcad
Малюнок 2. Визначення кута змочування
Дотична будується автоматично в залежності від положення точки поділу фаз. Нижче наведено результат знаходження кута змочування для різних значень точки перетину фаз.
Малюнок 3. Побудова моделі краплі з визначення кута змочування
Дані матеріали доцільно використовувати для визначення кута змочування реального зображення краплі.
Досліджуване зображення можна завантажити з файлу, або сфотографувати за допомогою камери. Дана операція виконується в такий спосіб:
1. Підключити камеру.
2. Вказати шлях для збереження файлу.
3. Натиснути кнопку «Запуск камери». При цьому зображення буде виводитися на екран.
4. Налаштувати камеру необхідним чином, після чого зафіксувати зображення натисканням на кнопку «Захоплення зображення».
5. Після захоплення зображення камера вимкнеться автоматично. Якщо не обходимо відключити камеру, скористайтеся кнопкою «Щоб закрити камеру». Для підключення камери використані функції NI Acquisition Software.
Коли файл зображення створений, можна переходити безпосередньо до обчислень. Для цього необхідно натиснути кнопку «Почати обчислення». Після цього вкажіть шлях до файлу, якщо він не записувався перед цим за допомогою камери. Далі слід визначити лінію поділу фаз між краплею і поверхнею. Для цього використовується горизонтальна лінія, положення якої визначається повзунком «Лінія розділу фаз».
Лінія поділу фаз будується за допомогою блоку "Overlay Line" і являє собою горизонтальну пряму. Для побудови прямої вказуються початкова і кінцева точки. При цьому початкова точка має координату 0, а координата кінцевої точки дорівнює вирішенню по горизонталі конкретного зображення.
Слід врахувати, що в більшості випадків поверхня на зображенні нічого очікувати бути строго горизонтальною. Для вирішення цієї проблеми в програмі був введений блок повороту зображення. Щоб повернути зображення, потрібно повернути ручку вправо або вліво відповідно.
Контури краплі можуть бути нечіткими. В такому випадку важко побудувати дотичну. Для того, щоб вирішити цю проблему, додана можливість вручну побудувати овал окреслення. Побудова виконується за допомогою завдання висоти і ширини, а також зміщення по вертикалі і горизонталі. Для побудови овалу був використаний блок "Overlay Oval". В даному блоці овал задається шляхом визначення координат сторін прямокутника, в який він вписаний. Для зручності спосіб завдання було змінено на більш звичний.
Після того, як були визначені межі розділу фаз, можна приступати до пошуку кута змочування. Для цього необхідно побудувати дотичну:
1. Використовуючи повзунок «Зсув дотичній» виставити її на правій межі краплі.
2. Для зміни кута нахилу змістити ручку «Нахил дотичної» вліво або вправо відповідно.
Виконувати цю операцію також слід максимально точно, в разі необхідності змінювати масштаб зображення. Дотична будується з прив'язкою до розмірів зображення і лінії розділу фаз.
Результат вимірювань автоматично виводитися в полі «Кут змочування».
Якщо необхідно скинути параметри вимірювань, ви можете скористатися кнопкою «Скидання обчислень». Зупиняє виконання програми кнопка «Вихід».
Малюнок 4. Лицьова панель приладу
У програмі використана структура Event, яка дозволяє зв'язати події на лицьовій панелі з виконанням елементів коду. На малюнку 5 показана блок-діаграма основного фрейма програми обчислення кута змочування, а також блок захоплення зображення за допомогою камери. Ще два фрейми відповідають за вихід з програми і за скидання параметрів. В останньому фреймі реалізована ініціалізація блоку управління камерою. Фрейм спрацьовує при зміні значення певного елемента лицьовій панелі. Необхідно обґрунтувати ефективність застосування даного приладу для проведення досліджень. Для цього були проведені дослідження точності приладу.
Малюнок 5. Блок діаграма: основний фрейм
Малюнок 6. Блок-діаграма: захоплення зображення за допомогою камери
Малюнок 7. Блок-діаграма: скидання даних
Для того, щоб визначити абсолютну похибку обчислення кута змочування, ми провели серію досліджень. Для цього треба було наявність еталонних зображень, де кут змочування буде відомий з високою точністю. Для генерації таких зображень використовуємо середу Mathcad.
Зображення генерується відповідно до заданого кутом змочування і півосями еліпса. Для додання реалістичності, зображення повертається на кілька градусів, що імітує неякісну зйомку. Для проведення статистичних досліджень будемо міняти товщину ліній, а також їх контрастність.
Для об'єктивності в дослідженнях ми залучили кілька людей в якості операторів. Їм були видані зображення, згенеровані в описаній вище програмі. На різних зображеннях товщина ліній і їх яскравість відрізнялися. Для чистоти експерименту операторам не повідомлявся реальний кут змочування. Були досліджені такі кути змочування: 25 °, 30 °, 60 °, 110 °, 150 °.
Малюнок 8. Генерація зображення краплі з заданим кутом змочування
Малюнок 9. Зображення моделі краплі з різними кутами змочування
Щоб систематизувати отримані результати і зробити висновки, необхідно застосувати методи статистичної обробки. Розглянемо методи побудови закону розподілу випадкової величини.
Малюнок 10. Побудова методів розподілу випадкової величини в средеMathcad
Малюнок 11. Дослідження помилки вимірювання кута змочування
Проаналізувавши результати, отримані операторами в ході експерименту, з використанням наведених вище методів, ми встановили, що максимальне відхилення виміряного значення кута змочування від реального склало 1.5 градуса. Це прийнятно для даного виду досліджень.
3.Сумма Б.Д. Фізико-хімічні основи змочування. М. Хімія, 1976.