(5 оценок, среднее: 4,80 из 5)
Загрузка...
Учебная работа. Разработка алгоритма обнаружения закладных устройств в железнодорожном транспорте тепловым методом
Министерство транспорта Русской Федерации
Федеральное агентство жд транспорта
Государственное образовательное учреждение
высшего проф образования
Омский муниципальный институт путей сообщения (ОмГУПС)
Кафедра «Вагоны и вагонное хозяйство»
Разработка метода обнаружения закладных устройств в жд транспорте термическим способом
Омск 2012
Реферат
Объяснительная записка содержит 59 стр., 14 рис., 9 табл., 14 источников.
Тепловидение, теплопроводимость, тепловизор, обнаружение закладного устройства под жд полотном, метеорологические условия.
Целью работы является разработка способа обнаружения закладок в грунте методом анализа термического поля.
В процессе работы был проведен анализ имеющихся типов закладных устройств и методов их обнаружения, также была построена модель для расчета термического поля поверхности земли.
Найден временной интервал в течение суток, когда термический контраст на поверхности земли максимален.
Содержание
Введение
1. Закладные устройства и методы их обнаружения
1.1 Демаскирующие признаки взрывных устройств
1.2 Способы обнаружения закладных устройств
2. Термический вид неразрушающего контроля
2.1 Теплофизическое описание изъянов
2.2 Термический способ обнаружения мин и устройство для осмотра минных полей
2.3 Область внедрения тепловидения
2.4 анализ развитой модели ТК (на примере обнаружения заглубленных мин)
3. Описание термического способа обнаружения закладок
3.1 Математическая модель
3.2 Описание численного способа
4. Метеоусловия действующие на проведение исследования
4.1 Приборы, применяемые для проведения исследования
5. Описание расчетов
6. Экономический расчет
6.1 План проведения
6.2 Расчет цены научно-исследовательских работ
7. Сохранность жизнедеятельности
7.1. Организационная структура СУОТ на предприятии
7.2 Анализ и оценка уровня сохранности оборудования и технологических действий
7.3 Планирование и прогнозирование по охране труда
7.4 Коэффициенты сохранности труда
Заключение
Библиографический перечень
Введение
Цель работы: Разработка способа обнаружения закладных устройств в жд полотне методом анализа термического поля.
Главные задачки работы:
1 Обзор видов закладных устройств и методов их обнаружения.
2 Анализ метода.
3 Численная формулировка задачки.
4 Нахождение временного интервала в течение суток, когда термический контраст на поверхности земли максимален.
На рубеже XX и XXI веков глобальная цивилизация столкнулась с новенькими террористическими опасностями и вызовами, как на глобальном, так и на государственном уровне. Участились случаи террористических актов и больших диверсий, выполняемых с внедрением тс в качестве орудия.
Все, что соединено с терроризмом и сохранностью, дискуссируется с огромным энтузиазмом, на различных уровнях, с разным итоговым результатом. Это безусловн нужно и животрепещуще, но при всем этом нужно осознавать, что трудности сохранности требуют кропотливого исследования, исследования и анализа с неотклонимым прогнозированием итогового результата. Сохранность на жд транспорте обязана сопровождаться диагностикой (процесса заключения о сущности болезни и состоянии пациента) при помощи узнаваемых способов и средств исследования.
сейчас мины — одна из самых огромных угроз в мире, которая со временем лишь утежеляется: на одну найденную и обезвреженную мину приходится два 10-ка вновь установленных. По оценкам ООН, наша планетка хранит 100 — 120 миллионов (!) противопехотных мин. Каждый месяц их жертвами стают 500 — 800 человек, любой 3-ий пострадавший — ребенок. По воззрению профессионалов, при использовании имеющихся технологий на разминирование всей планетки будет нужно около тыщи лет и до 100 млрд баксов. А на любые 5 000 обезвреженных мин придется один погибший и двое покалеченных саперов.
В истинное время на стальной дороге обострилась неувязка обнаружения закладных устройств. Противотранспортные мины предусмотрены для минирования авто, стальных дорог, аэродромов. Заряд мины быть может рассчитан не только лишь на поражение тс, да и на разрушение дороги. Закладку устанавливают снутри разрушаемого объекта в особых минных колодцах (камерах) либо грунте, а взрываются от действия проходящего транспорта на ее реагирующий орган.
Способы, определяющие истинное и будущее трудности поиска мин в жд полотне, основываются на разных физических, хим и биофизических принципах. Несложно представить, что более информативным инвентарем, позволяющим создавать действенные диагностические технологии, методики и высокочувствительную аппаратуру, является интроскопия (внутривидение). Интроскопия обеспечивает достоверную регистрацию исследовательских информационных характеристик объектов поиска мин на фоне помех, генерируемых укрывающими средами. К укрывающим средам относятся грунты различного состава и влажности: растительность, снег, лед, строй конструкции (бетон, железобетон, дерево и т.п.).
Термический способ обнаружения устройств не подразумевает настолько активного действия на обследуемую поверхность. Таковым образом, он является пассивным и не может стать предпосылкой активации защиты закладного устройства.
Термический способ обнаружения закладных устройств всепригоден и быть может применен для поиска закладных устройств хоть какого материала, независимо от их состава. Для оценки способности обнаружения той либо другой неоднородности требуется создать математическую модель взаимодействия термических потоков в жд полотне с закладным устройством.
Новизна работы: Новизна работы состоит в том, что в открытых источниках не было найдено детализированных разработок такового рода. Может быть, такие работы ведутся, но они не разглашаются.
1. Закладные устройства и методы их обнаружения
1.1 Демаскирующие признаки взрывных устройств
Известные и используемые в истинное время мины разделяются:
а) по тактическому предназначению на: противотанковые, противотранспортные (дорожные), противопехотные, объектные и особые (противодесантные, мины-ловушки, мины-сюрпризы и т.п.);
б)по материалу корпуса на: железные, неметаллические (пластмасса, дерево), бескорпусные (штампованная взрывчатка);
в)по уровню установки на: подвешенные (установленные выше людского роста, на башнях танков, кабинах каров); устанавливаемые на поверхности земли, зарытые в землю (встроенные в строения либо технические объекты); устанавливаемые на деньке водоемов, плавающие в воде.
Особо небезопасными из-за многочисленности и обилия, также из-за трудности в обнаружении являются противопехотные мины.
Противопехотные мины поражают живую силу противника ударной волной (фугасные мины) либо разлетающимися из корпуса мины заблаговременно приготовленными осколками в виде шариков, цилиндров, стрел либо осколками, образующимися за счет дробления корпуса (осколочные мины).
В качестве противопехотных мин время от времени употребляют артиллерийские снаряды, адаптированные для взрывания. Противопехотные мины употребляют также для устройства «мин-сюрпризов», «мин-ловушек».
Противотранспортные мины предусмотрены для минирования авто, стальных дорог, аэродромов. Заряд мины быть может рассчитан не только лишь на поражение тс, да и на разрушение дороги. Мины инсталлируются в боевое положение через определенное (данное) время, а взрываются от действия проходящего транспорта на ее реагирующий орган.
Объектные мины предусмотрены для разрушения мостов, тоннелей и остальных сооружений. Их устанавливают снутри разрушаемого объекта в особых минных колодцах (камерах) либо грунте (см. набросок 1.1). Особые мины-боеприпасы имеют узкоцелевое предназначение (магнитные, сигнальные мины и др.).
В общем случае взрывное устройство (ВУ) содержит взрывчатое вещество (ВВ (то есть внутренние войска)) в количестве от нескольких 10-ов граммов до сотен кг. К демаскирующим признакам ВУ относятся: наличие ВВ (то есть внутренние войска) в конструкции взрывного устройства; наличие локальной массы сплава (часто соответствующей формы); присутствие антенны с приемным устройством у радиоуправляемых ВУ; наличие часового механизма либо электрического таймера (временной замедлитель); наличие проводов либо проводных линий и остальные конструктивные индивидуальности его выполнения.
Набросок 1.1 — Пример установки мины под жд полотно
В общем случае взрывное устройство (ВУ) содержит взрывчатое вещество (ВВ (то есть внутренние войска)) в количестве от нескольких 10-ов граммов до сотен кг. К демаскирующим признакам ВУ относятся: наличие ВВ (то есть внутренние войска) в конструкции взрывного устройства; наличие локальной массы сплава (часто соответствующей формы); присутствие антенны с приемным устройством у радиоуправляемых ВУ; наличие часового механизма либо электрического таймера (временной замедлитель); наличие проводов либо проводных линий и остальные конструктивные индивидуальности его выполнения.
Что касается главной составляющие ВУ — заряда, то его демаскирующие признаки определяются главными физико-химическими качествами ВВ (то есть внутренние войска). К ним можно отнести: время понятно несколько сотен типов хим ВВ (то есть внутренние войска), одним из принципиальных демаскирующих признаков которых является плотность.
Зависимо от состояния вещества плотность ВВ (то есть внутренние войска) может варьироваться в достаточно широких границах. Так, плотность гексагена может изменяться от 0,8 г/см3 (порошок) до 1,73 г/см3 (спрессованное вещество). ВВ (то есть внутренние войска) могут быть смешаны со почти всеми органическими и неорганическими материалами (наполнителями типа ваксы, растительного масла, алюминия), чтоб придать им новейшие, маскирующие черты (цвет, среднюю плотность, хим состав). В таком виде они могут быть просто закамуфлированы либо сформированы в виде тонких листов либо футляров. Чтоб избежать последствий высочайшей летучести определенных ВВ (то есть внутренние войска), они могут быть герметически упакованы.
иной принципиальный демаскирующий признак ВВ (то есть внутренние войска) — хим состав. В состав обширно всераспространенных взрывчатых веществ входят водород, углерод, азот и кислород.
ВВ (то есть внутренние войска) характеризуются высочайшим содержанием азота, в несколько раз превосходящим подобные величины для безобидных материалов (шелк, полиуретан, нейлон и т.п.). Не считая того, дела меж концентрациями кислорода и азота, также углерода и азота находятся в достаточно узеньких границах: кислород/азот = 0,9… 3,4; углерод/азот = 0,44… 2,0.
Фактически все ВВ (то есть внутренние войска) содержат кислород и горючее в одной и той же молекуле. Потому взрывчатые вещества обычно не нуждаются в притоке кислорода снаружи и способны взрываться в атмосфере азота, в вакууме, в земле, в мироздании.
Демаскирующие признаки ВВ (то есть внутренние войска) несут определенный размер инфы о наличии взрывчатки в объекте контроля. Размер регистрации таковой инфы и эффективность ее обработки на базе избранных алгоритмов определяется многофункциональными способностями используемых аппаратурных средств поиска и досмотра. По воззрению почти всех профессионалов, фактически единственным надежным методом выявления ВВ (то есть внутренние войска) в объекте контроля является внедрение способов и принципов построения стационарных постов проверки пассажиров, ручной клади и багажа.
Но представляется, что будущее в предотвращении нелегального провоза ВВ (то есть внутренние войска) конкретно за массовыми стопроцентными проверочными мероприятиями, проводимыми как гласно, так и нелегально, зависимо от ситуации и оперативной обстановки. Увеличение эффективности и результативности контроля быть может достигнуто методом внедрения новейшей, наиболее совершенной техники в тесноватой связи с оперативными и аналитическими мероприятиями.
чувствительность технических средств (ТС) для обнаружения следовых количеств ВВ (то есть внутренние войска) обеспечивает надежную регистрацию 30 разных видов взрывчатки. Переносные и стационарные ТС владеют близкими чертами. Они требуют отбора газообразных проб и наночастиц с поверхности обследуемого объекта методом отсоса воздуха окружающей среды и предусмотрены для использования персоналом, не имеющим специального образования и способностей работы с аналитическим оборудованием.
Но плюсы таковой аппаратуры и ее исключительная полезность для служб сохранности ответственных объектов могут оказаться малоэффективными в случае внедрения легких приемов убежища ВВ (то есть внутренние войска). к примеру, ВВ (то есть внутренние войска) быть может помещено в пластмассовую упаковку, что исключает возможность его регистрации «электрическим носом», потому что требуется очень огромное время для диффузии молекул на поверхность упаковки. Наиболее того, в этом случае малоэффективными окажутся металлоискатели и радиоволновый способ. Несложно представить, что революционный прорыв в разработке ТС обнаружения ВВ (то есть внутренние войска) могут обеспечить лишь многообещающие физические способы.
1.2 Способы обнаружения закладных устройств
В истинное время разработаны способы и делается довольно широкий диапазон технических средств, созданных для поиска взрывчатых веществ и взрывоопасных предметов (ВОП).
При обнаружении мины основная неувязка состоит в распознавании полезного сигнала (от мины) на фоне бессчетных помех от неоднородностей окружающей среды и разных включений.
Посреди технических средств, используемых для разминирования мин, наибольшее распространение получил индукционный миноискатель, способный обнаруживать несколько граммов сплава, содержащегося в минах с неметаллическими корпусами. Но высочайшая чувствительность миноискателя приводит к тому, что на одну обнаруженную мину приходится до 100 — 1000 неверных сигналов, источниками которых стают осколки и пули, находящиеся в земле. Это делает фактически неосуществимым предстоящее внедрение устройства и принуждает сапера взять в руки саперный щуп и сантиметр за сантиметром прощупывать перед собой почву. Щуп — это железный, заостренный стержень, с помощью которого зондируют (прокалывают) почву либо снег с целью обнаружения мин. Щупом можно найти как железные, так и остальные мины. Также для обнаружения мин употребляют стетоскопы, предназначение — определять наличие мин с часовыми механизмами. Стетоскоп дает возможность найти мину в земле на глубине до 50 см; в снегу до 60 см. К недочетам такового обнаружения мин является: малая площадь контролируемого объекта и человечий фактор. Почва, как правило, покрыта травкой либо кустарником, что еще больше понижает темп поиска мин и наращивает риск работы сапера. Для поиска мин употребляются также специально натренированные собаки, но время уверенной работы собаки не превосходит 30 — 50 мин, опосля что надежность поиска резко падает.
На нынешний денек понятно маленькое число проектов по созданию устройств для поиска мин, основанных на разных способах обнаружения. Одним из таковых способов является магнитометрический способ, который дозволяет зафиксировать пространственные преломления магнитного поля Земли, создаваемого ферромагнитным объектом поиска. Обнаружение диэлектрических (пластмассовых, древесных и т.п.), также диамагнитных (дюралюминий, золото, серебро, бронза и т.п.) объектов с внедрением этого способа нереально. Но обнаружение локальных ферромагнитных объектов (из чугуна, стали, железоникелевых сплавов и др.) может быть фактически в всех естественных укрывающих средах (глинистых и песочных грунтах, пресной и морской воде, льдах и т.д.) на значимых глубинах. В то же время внедрение переносной аппаратуры на базе этого способа затруднено из-за мешающего воздействия железных частей конструкций.
Радиоволновой способ и аппаратурные средства на его базе разрешают обнаруживать фактически все типы мин и взрывных устройств, также выявлять любые диэлектрические аномалии и пустоты в грунте на глубинах 150…200 мм. Главный недочет этого способа — существенное число неверных срабатываний, что резко понижает темп поиска, ограничивая производительность — 80… 100 м2/ч, просит допроверки поисковых результатов техническими средствами, основанными на другом способе прямо до механического зондирования. Эффективность радиоволнового способа существенно понижается воздействием растительного покрова и неоднородностью земли. Совершенно свойства земли, включаемые в высококачественный анализ процесса поиска мин, представляют собой функцию волновой частоты и зависят от типа почв и материалов, составляющих преграду. Не считая того, выпуклость поверхности земли, неоднородность ее структуры, форма препятствий влияют на количественные свойства инфы о объекте поиска. Так как заминированные участки, как правило, в течение пары лет остаются неприкосновенными, они часто покрыты плотным слоем растительности, что мешает употреблять поисковую аппаратуру, располагая ее поблизости поверхности земли, понижает интенсивность принимаемого сигнала и усложняет идентификацию объекта поиска.
Существует очередной способ, основанный на регистрации гармоник в диапазоне отраженного СВЧ (Микроволновое излучение, сверхвысокочастотное излучение — электромагнитное излучение, включающее в себя дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазон радиоволн)-сигнала. Нелинейный способ эффективен при дистанционном поиске мин и взрывчатых веществ, содержащих электрические составляющие (электрические взрыватели, сейсмические, ПК (Персональный компьютер — компьютер, предназначенный для эксплуатации одним пользователем) и акустические таймеры и т.п.). Но мины с обыкновенными механическими взрывателями им не обнаруживаются.
При обнаружении мины основная неувязка состоит в распознавании полезного сигнала (от мины) на фоне бессчетных помех от неоднородностей окружающей среды и разных включений.
Термический способ обнаружения не подразумевает настолько активного действия на обследуемую поверхность. Таковым образом, он является пассивным и не может стать предпосылкой активации защиты закладного устройства. При помощи тепловидения можно найти различия в интенсивности инфракрасного излучения с поверхности объекта. Эти различия вызваны различием в содержании тепла в объекте либо его различных частях, на которые добавочно влияют характеристики эмиссионной возможности поверхности. Когда неоднородная структура, имеющая разные температурные свойства (обычно находящиеся в тепловом равновесии с окружающей средой), подвергается термический стимуляции, разница температур отмечается в структуре так же, как и на ее видимых поверхностях.
Термический способ все огромным количеством профессионалов квалифицируется как более информативный, обеспечивающий сразу высшую чувствительность, достоверность и производительность поиска. Этот способ быть может применен для поиска закладных устройств хоть какого материала, независимо от их состава. Но этот способ просит разработки исследовательских технологий, методик поиска и сотворения алгоритмов обработки инфы, исключающих воздействие помех, обусловленных неоднородностью верхнего слоя грунта и растительности.
2. Термический вид неразрушающего контроля (ТНК)
температура, как количественный показатель внутренней энергии тел, является всепригодной чертой объектов и действий физического мира, в каком безпрерывно происходит генерация, преобразование, передача, скопление и внедрение энергии в ее разных формах. анализ термических действий (температурных полей, утрат тепла ит.п.) дозволяет получить различную информацию о состоянии объектов и протекании физических действий в природе, энергетике, строительстве, индустрии и медицине.
Термический вид НК основан на регистрации конфигураций термических и температурных полей контролируемого объекта.
В термическом неразрушающем контроле употребляется термическая энергия, распространяющаяся в объекте контроля (ОК). Температурное поле поверхности объекта является источником инфы о особенностях процесса теплопередачи, которые, в свою очередь, зависят от наличия внутренних либо внешних причин (наличие полостей, посторонних включений и т.д.), различных отклонений физических параметров объекта, наличия мест локального нагрева — остывания и т.п.[1]
Главный чертой температурного поля, являющегося индикатором дефектности, служит величина локального температурного перепада, зависящая от наружных и внутренних причин. К наружным факторам можно отнести свойства термообмена на поверхности ОК: величина коэффициента конвективной теплоотдачи, мощность источника нагрева, теплопроводимость, теплоемкость, скорость перемещения источника нагрева вдоль объекта контроля. К внутренним факторам относятся теплофизические характеристики ОК и недостатка, их геометрические размеры.
Главным информационным параметром при ТНК является разность температур меж дефектной и бездефектной областью ОК.
процесс переноса тепла в среде за счет теплопроводимости и конвекции характеризуется дифференциальным уравнением [2]
, (2.1)
где — коэффициент температуропроводности, характеризующий скорость распространения температуры в пространстве, м2/с;
— теплоемкость вещества, равная количеству термический энергии, нужной для нагрева 1 К единицы массы вещества, Дж/кгК;
-коэффициент теплопроводимости, показывающий способность тел передавать теплоту, Вт/м2;
— плотность вещества, кг/м3;
— плотность термического потока, Вт/м2;
— время;
— координаты температурного поля;
— составляющие скорости движения компонент системы по координат .
В итоге решения уравнения с внедрением граничных критерий и критерий непрерывности потока и сохранения массы можно найти распределение температур на ОК зависимо от его формы, размеров, наличия изъянов. [3]
Существует три метода передачи термический энергии от наиболее нагретого к наименее подогретому телу:
— теплопроводимость (молекулярный перенос теплоты на микроуровне за счет передачи конфигурации интенсивности колебаний от молекулы к молекуле);
— конвекция (перенос теплоты перемещающимися в пространстве частичками вещества) — для жидкостей и газов;
— термическое излучение (передача теплоты испускания маленьких электромагнитных волн частотой от 31011 до 41014 Гц (единица частоты периодических процессов в Международной системе единиц СИ)).
Плотность термического потока в жестком теле меж точками с различной температурой и подчиняется закону Фурье:
в интегральном выражении: , (2.2)
в дифференциальном выражении: . (2.3)
Как следует, коэффициент теплопроводимости , выраженный в Вт/(мК), описывает плотность термического потока в жестком теле при градиенте температуры, равном единице, и охарактеризовывает режим стационарного термообмена, так как в размерности величины отсутствует время.
Конвекция значит перемешивание теплых и прохладных слоев газа либо воды. Остывание (либо нагрев) поверхности тела газом либо жидкостью описывается законом Ньютона:
, (2.4)
где — коэффициент конвективной теплоотдачи, именуемый в общем случае коэффициентом термообмена;
и — соответственно температуры поверхности тела и среды (водянистой либо газообразной).
На рисунке 2.1 эти температуры обозначены через Тп и Тс. Определение не является настолько серьезным как в случае , потому что этот параметр обрисовывает не столько материал, сколько взаимодействие 2-ух разнородных сред (геометрию).
Набросок 2.1- Механизмы теплопередачи
Излучение есть поток квантов электромагнитного излучения, которое испускается всеми физическими телами с температурой выше абсолютного нуля (0 К).
В интегральном выражении плотность радиационного излучения описывается законом Стефана-Болъцмана, который для термообмена меж 2-мя телами с температурами и (>) имеет последующий вид:
, (2.5)
где — плотность результирующего термического потока;
— неизменная Стефана-Больцмана ( Вт/(мК4);
-геометрический фактор;
— приведенный коэффициент излучения.
Термообмен меж теплым объектом Ts и прохладной окружающей средой Tamb происходит методом конвекции и излучения:
(2.6)
Формулы (2.4) и (2.6) стают схожими, если ввести комбинированный коэффициент термообмена с окружающей средой:
(2.7)
2.1 Теплофизическое описание изъянов
Внутренние недостатки искажают постоянное течение термических потоков в объекте контроля и соответственно приводят к локальным температурным аномалиям, которые передаются через материал объекта на его поверхность, где регистрируются аппаратурой термического контроля (ТК) в виде температурных сигналов . [4]
Внутренние недостатки различного вида описываются разными граничными критериями. Если недостаток моделируют слоем постороннего материала, к примеру, газонаполненным промежутком меж слоями композита, на границе тело — недостаток имеют пространство условия неразрывности термического потока и температуры:
, (2.1.1)
При внедрении критерий (2.1.1) нужно решать дифференциальное уравнение теплопроводимости не только лишь в главном материале, но также и в недостатке, «сшивая» решения на границе недостаток — главный материал. При всем этом распределение температуры в объекте контроля будет зависеть от теплопроводимости и температуропроводности (теплоемкости) недостатка.
Теплоемкость недостатка может значительно влиять на величину температурного сигнала и его временное развитие в процессе нагрева — остывания, если она сравнима с теплоемкостью объекта контроля (в двухсторонней процедуре ТК) либо слоя материала над недостатком (в однобокой процедуре). Такие недостатки время от времени именуют емкостными. Емкостными недостатками являются противопехотные мины, размещаемые в почву на глубину до 10 см.
Воздействие теплоемкости недостатка также быть может приметным в случае широких неглубоких расслоений в композиционных материалах. Емкостной нрав недостатка ответствен за так именуемую инверсию температурного сигнала, когда дефектная область над низкотеплопроводным (воздушным) недостатком в однобокой процедуре ТК становится холоднее бездефектных областей, т.е. < 0.
Если теплоемкостью недостатка можно пренебречь, то его главный теплофизической чертой является термическое сопротивление .Такие недостатки нередко именуют резистивными. На границах резистивных изъянов температура меняется скачкообразно, а термический поток остается неразрывным:
; , (2.1.2)
где и обозначают переднюю и заднюю поверхность недостатка.
В зоне контакта 2-ух шероховатых материалов возникает «контактное термическое сопротивление». Модели ТК с резистивными недостатками имеют наиболее обычной вид и нередко употребляются при разработке алгоритмов термический дефектометрии.
2.2 Термический способ обнаружения мин (ТМОМ) и устройства для осмотра минных полей
Различают пассивный и активный термо способы обнаружения мин. При пассивном ТМОМ анализ термических полей создают в процессе их естественного состояния. Активный ТМОМ дает нагрев объекта наружным источником энергии. Главный чертой температурного поля, являющейся индикатором мин, служит величина локального температурного перепада. Координаты места перепада, его рельеф либо, другими словами, топология температурного поля и его величина являются функцией огромного количества причин. Эти причины можно подразделить на внутренние и наружные.[4]
Внутренние причины определяются теплофизическими качествами контролируемого объекта, также его геометрическими параметрами. Они определяют временные характеристики процесса теплопередачи, в главном, процесса развития температурного перепада. Наружными факторами являются свойства процесса термообмена на поверхности объекта контроля (почаще всего коэффициент конвективной теплоотдачи), мощность источника нагрева и скорость его перемещения вдоль объекта контроля.
Главным информационным параметром при ТМОМ является локальная разность температур меж объектом и фоном. В любом определенном случае следует хорошим образом выбирать момент регистрации tm температурного перепада. Величина tm зависит от тепло- и температуропроводности изделия и земли, также глубины залегания мины. момент времени пришествия наибольшего перепада и глубина залегания обычно соединены линейной зависимостью, при этом угол наклона соответственной прямой зависит от теплофизических параметров изделия и грунта. Чем больше теплопроводимость изделия, тем меньше величина tm. Зависимо от типа материала и глубины залегания мины величина tm для металлов колеблется от толикой до 10-ов секунд, для неметаллов tm может составлять 10-ки минут. Повышение мощности нагревателя и уменьшение интенсивности термообмена приводит к росту уровня нагрева изделия и наилучшему выявлению мин.
В базе аналитического решения задач активного термического контроля лежит уравнение теплопроводимости.
Для решения уравнения употребляют граничные условия, а при конвективном термообмене — условие непрерывности потока и сохранения массы. Граничные условия задают, к примеру, в виде известного распределения температур либо термических потоков.
Есть последующие методы активного термического контроля изделий:
1. По истечении некого времени (чтоб зона контроля успела остыть) перебегают к последующей точке и т.д. Так будет пройдена вся поверхность, при этом измеренная температура областей с минами будет значительно различаться от температуры участков без мин.
2. С внедрением сканирующей системы, состоящей из агрессивно закрепленных друг относительно друга источника нагрева и регистрирующего устройства (к примеру, радиометра), перемещающихся с неизменной скоростью вдоль поверхности эталона.
3. Одновременный нагрев поверхности эталона вдоль некой полосы с следующей регистрацией температуры вдоль данной же полосы (при однобоком контроле) либо вдоль аналогичной полосы с обратной поверхности эталона (при двухстороннем контроле). Схожая регистрация быть может осуществлена, к примеру, устройством термопрофиль.
4. Одновременный нагрев всей поверхности эталона и следующая регистрация температурного распределения на данной же либо на обратной поверхности. Схожий метод контроля быть может осуществлен с помощью тепловизора.
Эффективность всякого из обрисованных методов термического контроля миниатюризируется (от первого к четвертому), а производительность увеличивается.
Бесконтактные способы термического контроля основаны на использовании ИК (то есть тепловое, инфракрасное, на основе инфракрасного излучения)-излучения, испускаемого всеми нагретыми телами. ИК (то есть тепловое, инфракрасное, на основе инфракрасного излучения)-излучение занимает широкий спектр длин волн 0,76… 1000 мкм. Диапазон, мощность и пространственные свойства этого излучения зависят от температуры тела и его излучаемой возможности, обусловленной, в главном, его материалом и микроструктурными чертами излучающей поверхности. К примеру, шероховатые поверхности источают посильнее, чем зеркальные. При повышении температуры мощность излучения стремительно вырастает, а ее максимум двигается в область наиболее маленьких длин волн. Диапазон излучения быть может непрерывным либо дискретным.
нрав диапазона зависит, в главном, от агрегатного состояния вещества. Для жестких и водянистых тел, как правило, свойственны непрерывные диапазоны излучения, а для газообразных — линейные, которые при огромных давлениях либо огромных толщинах почаще перебегают в непрерывный.
Объекты ТМОМ очень разнообразны. Они различаются по физической сути, положению в пространстве, связи с антропогенной Деятельностью и иным свойствам. Главный признак, определяющий способности ТМОМ — нрав формирования регистрируемого термического контраста.
Принципно может быть существование 2-ух видов объектов, которые условно можно именовать температурно- и радиационно-контрастными. 1-ые выделяются из-за различия термодинамических температур объекта и фона, а 2-ые — различием коэффициентов излучения. естественно, что в первом случае контраст быть может зарегистрирован как дистанционно, так и при конкретном измерении. Во 2-м случае вероятна лишь дистанционная регистрация.
Формирование термического поля температурно-контрастных объектов сначала определяется главным источником нагрева. По этому признаку можно выделять объект с наружным источником и с внутренним. Наружным источником теплоты является солнце, за счет излучения которого происходит нагрев земной поверхности, а внутренними (не связанными с солнечным нагревом) могут быть как природные (к примеру, очаги возгорания), так и антропогенные (к примеру, подземные теплопроводы) источники. Хотя солнечное излучение описывает распределение температур земной поверхности, для термический диагностики главную роль в формировании термический аномалии играют внутренние источники.
В целом температура земли и образований на ее поверхности (руины спостроек, осколки остальных техногенных сооружений, следы селевых потоков и т.д.) определяется как качествами этих объектов и активного слоя земли (термическая инерция, геотермальный поток, альбедо, экспозиция), так и соотношением меж составляющими термического баланса (радиационный баланс, турбулентный обмен, испарение).
Приметно понижает температуру объектов ветер. А именно, в местах, защищенных от ветра, наблюдаются ветровые аномалии (локальный перегрев земли). Это дозволяет более уверенно проводить поиск.
способы измерения теплофизических черт основаны на анализе температурного отклика объекта Т (х, y, z, t) на термическое действие в специально оговариваемых критериях (х, у, z — декартовы координаты; t — время). Теория теплопроводимости дозволяет аналитически определять эту функцию. [5]
Контактные средства измерения температуры, основным образом термоэлектрические, используются лишь при калибровке инфракрасной аппаратуры дистанционного обнаружения мин для корректировки черт излучаемой возможности грунтов.
Тепловизионная аппаратура. Преобразователи с оптико-механическим сканированием (ПОМС) употребляют основным образом на средневолновом участке ИК (то есть тепловое, инфракрасное, на основе инфракрасного излучения)-спектра (2 … 15 мкм) для анализа собственного термического излучения объектов. Принцип деяния тепловизора заключается в просмотре по данному закону движения поверхности объекта узеньким оптическим лучом, сформированным системой объектив — приемник. Тепловизоры имеют черно-белые либо цветные видеомониторы и устройства аналоговой и цифровой обработки изображения. Термограммы регистрируют при помощи камер и аналоговых видеомагнитофонов. В крайнее время обширно используют тепловизионные системы с блоками цифровой памяти, имеющие интерфейс и работающие в комплексе с ПЭВМ.
ТМОМ строят на базе 3-х вариантов термический ИК (то есть тепловое, инфракрасное, на основе инфракрасного излучения)-съемки: воздушной, наземной и аква. При любом варианте выполнения термический ИК (то есть тепловое, инфракрасное, на основе инфракрасного излучения)-съемки, как и при всех видах дистанционных способов исследовательских работ, в состав комплекса работ входят конкретные наземные исследования. Синхронные наземные исследования проводятся на эталонных площадках с целью получения фактических значений характеристик среды на момент дистанционной регистрации термического поля. Эти данные употребляют при интерпретации термических изображений, основным образом при количественной оценке состояния объектов наблюдения.
Главные технологические вопросцы — это вопросцы, связанные с выбором хороших критерий, режима и технических характеристик съемки. Условия включают время суток (солнечное время), сезонную и частично метеорологическую обстановку.
Солнечное излучение является главным фактором, определяющим регистрируемый контраст мин. Для выявления таковых объектов нужна двукратная съемка, выполняемая в дневное и ночное время.
Для объектов с внутренним источником нагрева (теплотрассы вдоль минных полей и т.д.) более информативна ночная съемка. время суток не достаточно влияет на величину регистрируемых контрастов, но им определяются неоднородности термического поля фоновой поверхности. В светлое время суток распределение температур, обусловленное различиями в составе верхнего слоя грунта и его влажности, в состоянии земной поверхности (в особенности ее покрытия) и в рельефе, маскирует термо аномалии, связанные с большинством объектов наблюдения с выходом нагретого вещества на дневную поверхность (к примеру, аварийные утечки из термических сетей, неглубокие очаги возгорания).
Сезонное время для проведения ТМОМ выбирают с учетом как времени появления объектов наблюдения (либо критичного конфигурации их состояния), так и хороших критерий проявления объектов. Важен учет причин с конфигурацией влажности почв, грунтов, лучший период приходится на июнь-сентябрь. В большей степени на условия съемки влияют такие характеристики метеорологической обстановки, как температура воздуха, скорость ветра, осадки, облачность и состояние атмосферы.
Выделение объектов наблюдения на термических изображениях делается по совокупы дешифрованных признаков, главные из которых — яркостный контраст, пространственная черта и конфигурация термический аномалии.
анализ термических динамических изображений (хронотермограмм) дозволяет поточнее выявлять подповерхностные аномалии теплофизических черт объектов, обнаруживать конфигурации плотности пород, зоны завышенного влагосодержания, наличие пустот и т.д.
ИК (то есть тепловое, инфракрасное, на основе инфракрасного излучения)-изображения могут региться (даже при отсутствии температурных перепадов на объекте) лишь за счет различий в излучаемой возможности его деталей. К примеру, в предрассветные часы, когда температурные различия на почве фактически выравниваются, тепловизор верно выделяет железные предметы в силу их малой, по сопоставлению с фоном, излучаемой возможности.
2.3 Область внедрения тепловидения
Тепловидение — получение видимого изображения объектов по их собственному, или отражённому от их термическому (инфракрасному) излучению. Тепловизор служит для определения местоположения и формы объектов, находящихся в мгле либо в оптически непрозрачных средах, также для исследования степени нагретости отдельных участков сложных поверхностей и внутренней структуры тел, непрозрачных в видимом свете [6].
Каждое нагретое тело испускает термическое излучение, интенсивность и диапазон которого зависят от параметров тела и его температуры. Для тел с температурой несколько 10-ов градусов типично излучение в инфракрасной области диапазона электромагнитных колебаний. Инфракрасное излучение невидимо для людского глаза, но быть может найдено разными приёмниками термического излучения и тем либо другим методом преобразовано в видимое изображение.
анализ источников инфы дозволяет привести лаконичный список областей внедрения и объектов контроля для тепловидения, приведенный в таблице 1 [3].
Таблица 1 — области внедрения тепловидения
Область приме-нения
Объекты контроля
Обнаруживаемые недостатки
1
2
3
Энергетика
полосы электропередач
ухудшение термоизоляции
теплотрассы
прямые утечки воды, пара, газов
трубы дымовые
трещинкы в трубах
статоры турбогенераторов
недлинные замыкания
Ядерная энергетика
ядерные реакторы
отличия температурных режимов
радиоактивные отходы
нарушения технологических действий при утилизации
Электроника
полупроводниковые приборы
однородность полупроводников
интегральные микросхемы
недостатки p-n-перехода
печатные платы
изменение номинала
узлы и блоки электрической аппаратуры
недлинные замыкания, обрывы, загрязнения
резисторы, конденсаторы
токовые утечки
Автомоби-лестроение
стекла
трещинкы в стеклах, закаливание стекол
система подогрева
утечки тепла
шины
отслоения корда от резины
Строи-тельство
стеновые панели
недостатки стыка панелей
дымовые трубы
трещинкы, ухудшение теплоизолирующих параметров
подземные коммуникации
участки инфильтрации воды
ИК (то есть тепловое, инфракрасное, на основе инфракрасного излучения) аэрофотосъемка
элементы земного ландшафта
термическое загрязнение аква и воздушного бассейна
лес и водные бассейны
очаги пожаров
участки геотермальной деятель
поиск нужных ископаемых, тектонические конфигурации
фауна
электронной энергии
энергохозяйство
недостатки термоизоляции
Нефтехимия
энергохозяйство
утечки тепло- и электронной энергии
трубопроводы
утечки газов и нефти
цистерны
контроль уровня воды
хим реакторы
недостатки термоизоляции
медицина
гастроэнтерология
воспалительные процессы
онкология
локальные неоплазия
травматология
травмы
психология (наука, изучающая недоступные для внешнего наблюдения структуры и процессы, с целью объяснить медицины, изучающая психические расстройства через призму методологии медицины)
психологические процессы
Искусство
стенная живопись
структура и недостатки фресок.
картины
исправление начального плана (краски, глины)
кинематография
создание особых эффектов
Остальные области
криминалистика
обнаружение стреляных гильз
таможня
обнаружение тайников,
сенсор ереси
2.4 анализ развитой модели ТК ( на примере обнаружения заглубленных мин)
Анализ развитой модели ТК рассмотрен ниже на примере обнаружения противопехотных и противотанковых мин в грунте (см. набросок 2.2). Номенклатура таковых мин очень широка, но в теоретических моделях почаще всего их имитируют однородным диском, размещенным в почве на глубинах от 1 до 15 см. Почва греется солнечным излучением, дневной ход которого моделируют функцией: , где повторяющаяся частота связана с дневным конфигурацией солнечной освещенности .
Большая часть исследователей считают, что обнаружение мины при помощи тепловизора может быть благодаря локальному возмущению ТФХ земли, которое возникает при внесении мины в почву. Это доказывается верно закрепляемым в опытах дневным ходом , что отлично согласуется с простейшей моделью ТК. Но, термографический контраст в месте расположения мины зависит не только лишь от температуры, да и от конфигурации коэффициента излучения земли, обусловленного ее разрыхлением и конфигурацией влажности. Доп фактором является наличие растительности, которая затеняет настоящую температуру поверхности земли.
1) Традиционная модель обнаружения мин в грунте. Пусть требуется найти в почве противопехотные безоболочные мины на базе тринитротолуола. Традиционная двухмерная модель ТК в цилиндрических координатах дозволяет получить зависимости сигнала от времени, глубины залегания, размеров мины, ТФХ и неровностей земли (набросок 2.2). Вследствие наиболее низкой интегральной теплопроводимости тринитротолуола по сопоставлению с обычными почвами, в дневное время над миной имеет пространство локальное увеличение температуры, т.е. > 0, достигая практически ~ 5 °С посреди денька (набросок 2.3). Для неглубоко залегающих мин в ночное время может иметь пространство инверсия , когда участок земли над миной характеризуется пониженной температурой. В простейшей модели обнаружения мин более мощным фактором, влияющим на , является глубина залегания мины l.
Набросок 2.2 — Модель ТК мин, заглубленных в почве: а — схема контроля и граничные условия на поверхности земли; б — дискретизация пространственной сетки на поверхности (моделирование шероховатости)
2) Развитая модель ТК (на примере обнаружения заглубленных мин). Пусть безоболочная мина из тринитротолуола поперечником 20 см находится в почве на 2-ух глубинах: 1 и 5 см. Разные виды типов и профилей нагрева изображены на рисунке 2.4. Отсчет времени ведется от 6-00 ч утра (соответствует 0 ч на рисунке 2.4); максимум солнечной инсоляции приходится на 12-00 ч денька. Для численного анализа применена программка Thermo Heat-3D Pro (Компания»Инновация», Наша родина), в какой все характеристики модели можно задавать в табличной форме как функцию времени. Результаты моделирования приведены в таблице 2.
Набросок 2.3 — Изменение температурных сигналов при обнаружении дискообразной безоболочной мины в почве на глубине 1 см ( Qm = 500 Вт/м2; rd = 10 см; d = 10см; l = 1 см)
Таблица 2 — Результаты численного моделирования ситуаций, возникающих при обнаружении мин в почве
Ситуация
Рациональные характеристики обнаружения
Глубина залегания 5см
Глубина залегания 10см
,0С
,ч
,0С
,ч
I — а
4,26
1
1,61
2
II — б
3,29
0
1,20
0
III — в
4,55
1
1,58
2
IV — г
4,2
0
1,21
1
V — д
4,8
4
1,64
5
Набросок 2.4 — Профили нагрева при обнаружении мин в почве: а — нагрев лучистым потоком (солнечная инсоляция в светлый денек; максимум инсоляции в 12-00 ч денька); б — моделирования возрастания скорости ветра, начиная с 12-00 ч; в — кооперативный нагрев лучистым потоком и изменяющейся температурой среды; г — кооперативный нагрев лучистым потоком и изменяющейся температурой среды (солнце за тучами, лучистый поток равен нулю с 13-00 до 14-00ч ); д — кооперативный нагрев лучистым потоком и изменяющейся температурой среды (включение доп источника, лучистый поток увеличен на 500 Вт/м2 с 15-00 до 16-00 ч)
Профиль I моделирует нагрев косинусоидальным импульсом (полная поглощенная энергия в течение 12 часов равна 3 кВтч/м2). Сравнивая данные видно, что рациональные характеристики обнаружения очень близки (различия объясняются отклонениями ступенчатого профиля нагрева от гладкого и тем, что в программке Thermo-Heat-3DPro может быть моделировать недостатки прямоугольной формы в отличие от дискообразных изъянов в программке Thermo Calc-2D).
Воздействие ветра. В рамках принятой модели изменение скорости ветра быть может сведено к изменениям коэффициента термообмена . Пример временного профиля II коэффициента термообмена изображен на рисунке 2.4, б: смоделировано повышение интенсивности теплоотдачи, начиная с 12-00 ч, с 10 до 30 Вт/м2К , это быть может следствием роста скорости ветра с 2 до 11 м/с. Разумеется, что усиление теплоотдачи с поверхности понижает сигнал от заглубленных мин. В индивидуальности, этот эффект характерен для мины, расположенной на глубине 5 см, так как повышение вышло в период ее рационального проявления.
Кооперативный нагрев солнечным излучением и средой. До сего времени разглядывали нагрев объекта контроля термическим потоком мощностью , при этом исходная температура была равна температуре окружающей среды amb, а граничное условие имело вид уравнения:[4]
(2.4.1)
Несложно показать, что если температура среды меняется, то это эквивалентно поступлению доборной энергии, которая будет нагревать тело, если Tamb > Т0 и охлаждать его, если Tamb < T0. А именно, при термическом обнаружении мин температура воздуха подвержена дневным колебаниям, а солнечный поток значительно зависит от облачности. В таком случае следует разглядывать произвольную функцию нагрева солнцем и средой в виде:
(2.4.2)
Профиль III моделирует таковой комбинированный метод нагрева, при этом рост температуры среды amb происходит относительно исходного момента, за который принято 6-00 ч утра. Так как даже в момент наибольшей температуры среды (рост на 8 °С в период с 13-00 до 14-00) эквивалентный доп поток равен лишь amb = 80 Вт/м2, т.е. значительно меньше основного лучистого потока, приращение температурного сигнала вследствие доп обогрева окружающей средой некординально
Уход солнца за облака. Пример дневной функции нагрева, моделирующей краткосрочный уход солнца за облака (с 13-00 до 14-00 ч), показан на рисунке 2.4, г (профиль IV). Из данных таблицы 2 видно, что даже настолько значимый спад инсоляции слабо влияет на температурные сигналы над заглубленными минами, так как основная мощность этих сигналов обоснована солнечной энергией, поглощенной в течение первой половины денька.
Нагрев при помощи доп источника. В рамках модели с произвольным нагревом вероятен анализ способности улучшения выявляемости мин методом использования искусственного источника нагрева: функция нагрева для этого варианта изображена на рисунке 2.4, д (профиль V, мощность лучистого потока с 15-00 до 16-00 ч увеличена на 500 Вт/м2). Как и следовало ждать, улучшение выявляемости заглубленного объекта наступает спустя некое время опосля включения источника, что в рассмотренном случае приводит к возрастанию временной задержки. Величина стимулированного зависит от мощности источника и в случае профиля V увеличивается на 3 … 5 %. Разумеется, что настолько маленькое увеличение сигнала соединено с неоптимальным временем включения доп источника, внедрение которого наиболее отлично при малых .
Выпуклости земли. При обнаружении температурных отпечатков заглубленных мин существенную помощь оператору в идентификации мины оказывает ее верная геометрическая форма, которая в безупречном случае однородного фона может искажаться лишь, если тепловизор ионизирует поверхность под углом, хорошим от обычного (набросок 2.4, а). Но в настоящих ситуациях выпуклости земли изменяют как глубину залегания недостатка, так и количество поглощаемой энергии, при этом крайняя меняется по мере перемещения солнца по небосводу; к примеру, бессчетные впадины сравнимых с миной размеров делают на термограммах бессчетные температурные сигналы, которые могут быть интерпретированы как сигналы от мин.
Влажность земли. Воздействие изменившейся влажности земли на выявляемость заглубленных в почву предметов значительно, но не исследовано исчерпающим образом, так как зависит от композиции нескольких причин, которые могут действовать на обратным образом, а конкретно: 1) как правило, осадки имеют температуру ниже температуры поверхности земли, что приводит к понижению и сглаживанию температуры поверхности опосля их выпадения; 2) наличие в почве воды изменяет ее ТФХ; 3) испарение воды на поверхности земли изменяет баланс термических потоков; 4) мокроватая почва изменяет собственный коэффициент поглощения (излучения).
Примерно можно считать, что в 1-ые моменты времени опосля начала дождика, температура поверхностного слоя земли становится близкой к температуре выпавшей воды, и температурные отпечатки заглубленных предметов на сто процентов «смазываются».
В почти всех вариантах наличие воды наращивает теплопроводимость пористой среды, тогда как зависимость температуропроводности земли от влажности может иметь выраженный экстремум. Воздействие влажности земли на величину температурных контрастов зависит от того, как она влияет на отношение ТФХ заглубленного предмета и земли. Так, для тринитротолуола во мокроватом песке температурный сигнал, по сопоставлению с сухим песком, изменяет символ (поточнее, последовательность пришествия сигналов обоих символов), и увеличивается по модулю в несколько раз благодаря существенному повышению теплопроводимости песка при его увлажнении.
3. Описание термического способа обнаружения закладок
Всякое физическое явление, в том числе и процесс теплопередачи, происходит в пространстве и времени. Потому аналитическое исследование теплопроводимости сводится к исследованию пространственно-временного конфигурации главный физической величины — температуры, соответствующей для данного явления, т.е. к нахождению зависимости
(3.1)
где — пространственные координаты в декартовой системе, — время.
Для решения задач, связанных с нахождением температурного поля, нужно иметь дифференциальное уравнение теплопроводимости. Под дифференциальным уравнением обычно соображают математическую зависимость, выражаемую дифференциальным уравнением, меж физическими величинами, характеризующими изучаемое явление, при этом эти физические величины являются функциями места и времени. Такое уравнение охарактеризовывает протекание физического явления в хоть какой момент времени.
Дифференциальное уравнение теплопроводимости дает зависимость меж температурой, временем и координатами простого размера. Уравнение теплопроводимости имеет вид:
]]>