Imaging of high temperature media using CCD cameras

Abstract

AB3:CCD-kameroiden evoluutio kytkeytyy puolijohdetekniikan ja elektroniikan nopeaan kehitykseen. Piisensorit ovat herkkyyden, lineaarisuuden ja alhaisen kohinatason ansiosta erinomaisia valonilmaisimia. CCD-kameroiden -menestys perustuukin tehokkaaseen lukutekniikkaan, jolla sadattuhannet yksittäiset kuvasensorit luetaan usean megahertsin taajuudella. Syntynyt signaali on suoraan monitoroitavissa ja helposti siirrettävissä tietokoneelle.- Perinteisesti edulliset CCD-kamerat on suunniteltu videosignaalin tuottamiseen. Tutkimuskäyttöön soveltuvien CCD-kameroiden hinta on ollut huomattavasti korkeampi. Nopean kehityksen ansiosta edullisten CCD-kameroiden ominaisuudet riittävät nykyään moniin tieteellisiin sovelluksiin.- Tenninen ruiskutus on teollisuudessa paljon käytetty menetelmä korkealuokkaisten keraamipinnoitteiden valmistamiseksi. Korkean lämpötilan ja valokaaren vaikutuksesta ruiskun suutin kuitenkin kuluu nopeasti. Lisäksi ruiskutusjauheen syötössä esiintyy ajoittaista vaihtelua, joka huonontaa pinnoitteen laatua. Näihin ongelmiin pohjautuu kysymys, voidaanko termisen ruiskutuksen toimintaa monitoroida ja tutkia CCD-kameralla.- Tämän työn tarkoituksena on tutkia edullisen perustason CCD-kameran soveltumista korkean lämpötilan kohteen kuvantamiseen. Käytännön mittauksilla selvitetään CCD-kameroiden soveltumista termisen ruiskutuksen monitorointiin. Toinen teoreettisempi tavoite on selvittää voidaanko pyrometrinen kuvantaminen toteuttaa CCD-tekniikalla.- CCD-kameroiden teoriaa ja ominaisuuksia selvitettiin laitevalmistajilta ja -toimittajilta sekä kirjallisuudesta kerätyn aineiston pohjalta. Tähän perustuu työn alkuvaiheessa laskettu CCD-kameran signaali. Kuvauskohteena olivat termisen ruiskutuksen lennonaikaiset partikkelit, jotka emittoivat itse detektointiin tarvittavan säteilyn.- Kokeellisessa osuudessa käytettiin edullista perustason CCD-kameraa termisen ruiskutusprosessin monitorointiin. Vertailun vuoksi lennonaikaisia partikkeleita tutkittiin myös kuvanvahvistimella varustetulla CCD-kameralla, jolla saavutetaan 3 nanosekunnin valotusaika.- CCD-kameroilla tuotettuja kuvia voidaan käyttää lennonaikaisten partikkelien ominaisuuksien tutkimiseen. Tätä varten työssä on tutkittu kuva-analyyttisiä menetelmiä, joilla partikkelinopeus, partikkelikoko ja esiintymistiheys voidaan määrittää eri tilanteissa.- Pyrometrisen kuvantaminen mahdollisuuksia selvitettiin johtamalla yhtälö lämpötilamittauksen tarkkuudelle. Kaksiväripyrometrinen tarkastelu suoritettiin sekä nopeasti liikkuville termisen ruiskutuksen partikkeleille, että stationäärisille kuumille kuvauskohteille.- Kuvaukset osoittivat, että perustason CCD-kameralla voidaan havaita termisen ruiskutuksen kuumia pinnoitepartikkeleita. Saman tuloksen antoi teoreettinen tarkastelu, jonka mukaan tyypillisestä lennonaikaisesta alumiinipartikkelista saatava signaali ylittää yli kymmenkertaisesti CCD-kameran havaintorajan. Kameroiden dynamiikka ei riittänyt kirkkaan plasmasuihkun ja partikkelien kuvaamiseksi samalta kohtaa. Partikkeleita täytyi havaita alueelta, jossa plasma oli jo jäähtynyt.

This work was to investigate the possibilities of monitoring thermal spraying using CCD cameras. Another more theoretical goal considers pyrometric imaging using CCD cameras. -Literary material regarding the CCD cameras was obtained from both the CCD camera suppliers and recent publications. An equation giving high temperature target signal is derived and calculated. The next step was to image thermal spray particles in the Institute of Materials Science at Tampere University of Technology in Finland. The information provided by CCD cameras was derived from these measurements. -Temperature accuracy of a typical low-cost basic-performance CCD camera was studied theoretically. Fast moving and stationary targets were considered in the case of two-wavelength pyrometric imaging. -A low-cost basic-performance CCD camera can detect plasma spray particles. Particle concentration and velocities can be measured using image analysis. According to theory a low-cost basic-performance CCD camera could provide pyrometric images in some cases. A special optical system and image processing is required.