Курсовая работа (т): Разработка алгоритма обнаружения закладных устройств в железнодорожном транспорте тепловым методом

Радиоволновой метод и аппаратурные средства на его основе позволяют обнаруживать практически все типы мин и взрывных устройств, а также выявлять любые диэлектрические аномалии и пустоты в грунте на глубинах 150...200 мм. Основной недостаток этого метода - значительное число ложных срабатываний, что резко снижает темп поиска, ограничивая производительность - 80... 100 м²/ч, требует допроверки результатов поиска техническими средствами, основанными на другом методе вплоть до механического зондирования. Эффективность радиоволнового метода значительно снижается влиянием растительного покрова и неоднородностью почвы. Вообще характеристики почвы, включаемые в качественный анализ процесса поиска мин, представляют собой функцию волновой частоты и зависят от типа почв и материалов, составляющих преграду. Кроме того, неровность поверхности почвы, неоднородность ее структуры, форма препятствий влияют на количественные характеристики информации об объекте поиска. Поскольку заминированные участки, как правило, в течение нескольких лет остаются неприкосновенными, они зачастую покрыты плотным слоем растительности, что мешает использовать поисковую аппаратуру, располагая ее вблизи поверхности почвы, снижает интенсивность принимаемого сигнала и усложняет идентификацию объекта поиска.

Существует еще один метод, основанный на регистрации гармоник в спектре отраженного СВЧ-сигнала. Нелинейный метод эффективен при дистанционном поиске мин и взрывчатых веществ, содержащих электронные компоненты (электронные взрыватели, сейсмические, ПК и акустические таймеры и т.п.). Однако мины с обычными механическими взрывателями им не обнаруживаются.

При обнаружении мины главная проблема состоит в распознавании полезного сигнала (от мины) на фоне многочисленных помех от неоднородностей окружающей среды и различных включений.

Тепловой метод обнаружения не предполагает столь активного воздействия на обследуемую поверхность. Таким образом, он является пассивным и не может стать причиной активации защиты закладного устройства. С помощью тепловидения можно определить различия в интенсивности инфракрасного излучения с поверхности объекта. Эти различия вызваны разницей в содержании тепла в объекте или его разных частях, на которые дополнительно влияют показатели эмиссионной способности поверхности. Когда неоднородная структура, имеющая различные температурные характеристики (обычно находящиеся в термическом равновесии с окружающей средой), подвергается тепловой стимуляции, разница температур отмечается в структуре так же, как и на ее видимых поверхностях.

Тепловой метод все большим количеством специалистов квалифицируется как наиболее информативный, обеспечивающий одновременно высокую чувствительность, достоверность и производительность поиска. Этот метод может быть использован для поиска закладных устройств любого материала, независимо от их состава. Однако этот метод требует разработки диагностических технологий, методик поиска и создания алгоритмов обработки информации, исключающих влияние помех, обусловленных неоднородностью верхнего слоя грунта и растительности.

2. Тепловой вид неразрушающего контроля (ТНК)

Температура, как количественный показатель внутренней энергии тел, является универсальной характеристикой объектов и процессов физического мира, в котором непрерывно происходит генерация, преобразование, передача, накопление и использование энергии в ее различных формах. Анализ тепловых процессов (температурных полей, потерь тепла ит.п.) позволяет получить разнообразную информацию о состоянии объектов и протекании физических процессов в природе, энергетике, строительстве, промышленности и медицине.

Тепловой вид НК основан на регистрации изменений тепловых и температурных полей контролируемого объекта.

В тепловом неразрушающем контроле используется тепловая энергия, распространяющаяся в объекте контроля (ОК). Температурное поле поверхности объекта является источником информации об особенностях процесса теплопередачи, которые, в свою очередь, зависят от наличия внутренних или наружных факторов (наличие полостей, инородных включений и т.д.), всевозможных отклонений физических свойств объекта, наличия мест локального нагрева - охлаждения и т.п.[1]

Основной характеристикой температурного поля, являющегося индикатором дефектности, служит величина локального температурного перепада, зависящая от внешних и внутренних факторов. К внешним факторам можно отнести характеристики теплообмена на поверхности ОК: величина коэффициента конвективной теплоотдачи, мощность источника нагрева, теплопроводность, теплоемкость, скорость перемещения источника нагрева вдоль объекта контроля. К внутренним факторам относятся теплофизические свойства ОК и дефекта, их геометрические размеры.

Основным информационным параметром при ТНК является разность температур между дефектной и бездефектной областью ОК.

Процесс переноса тепла в среде за счет теплопроводности и конвекции характеризуется дифференциальным уравнением [2]

, (2.1)

где - коэффициент температуропроводности, характеризующий скорость распространения температуры в пространстве, м²/с;

 - теплоемкость вещества, равная количеству тепловой энергии, необходимой для нагрева 1 К единицы массы вещества, Дж/кгК;

 -коэффициент теплопроводности, показывающий способность тел передавать теплоту, Вт/м²;

 - плотность вещества, кг/м³;

 - плотность теплового потока, Вт/м²;

 - время;

 - координаты температурного поля;

 - составляющие скорости движения компонентов системы по координат .

В результате решения уравнения с использованием граничных условий и условий непрерывности потока и сохранения массы можно определить распределение температур на ОК в зависимости от его формы, размеров, наличия дефектов. [3]

Существует три способа передачи тепловой энергии от более нагретого к менее нагретому телу:

- теплопроводность (молекулярный перенос теплоты на микроуровне за счет передачи изменения интенсивности колебаний от молекулы к молекуле);

конвекция (перенос теплоты перемещающимися в пространстве частицами вещества) - для жидкостей и газов;

тепловое излучение (передача теплоты испускания коротких электромагнитных волн частотой от 310¹¹ до 410¹⁴ Гц).

Плотность теплового потока в твердом теле между точками с различной температурой  и  подчиняется закону Фурье:

в интегральном выражении: , (2.2)

в дифференциальном выражении: . (2.3)

Следовательно, коэффициент теплопроводности , выраженный в Вт/(мК), определяет плотность теплового потока в твердом теле при градиенте температуры, равном единице, и характеризует режим стационарного теплообмена, поскольку в размерности величины отсутствует время.

Конвекция означает перемешивание теплых и холодных слоев газа или жидкости. Охлаждение (или нагрев) поверхности тела газом или жидкостью описывается законом Ньютона:

, (2.4)

где - коэффициент конвективной теплоотдачи, называемый в общем случае коэффициентом теплообмена;

 и  - соответственно температуры поверхности тела и среды (жидкой или газообразной).

На рисунке 2.1 эти температуры обозначены через Т_п и Т_с. Определение  не является столь строгим как в случае , так как этот параметр описывает не столько материал, сколько взаимодействие двух разнородных сред (геометрию).

Рисунок 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 теплообмена между двумя телами с температурами  и  (>) имеет следующий вид:

, (2.5)

где - плотность результирующего теплового потока;

- постоянная Стефана-Больцмана ( Вт/(мК⁴);

 -геометрический фактор;

- приведенный коэффициент излучения.

Теплообмен между теплым объектом T_s и холодной окружающей средой T_amb происходит путем конвекции и излучения:

 (2.6)

Формулы (2.4) и (2.6) становятся идентичными, если ввести комбинированный коэффициент теплообмена с окружающей средой:

 (2.7)

Значение  зависит от формы объекта и его ориентации в пространстве, а также от разницы температур T_s - Т_атЬ.

2.1 Теплофизическое описание дефектов

Внутренние дефекты искажают регулярное течение тепловых потоков в объекте контроля и соответственно приводят к локальным температурным аномалиям, которые передаются через материал объекта на его поверхность, где регистрируются аппаратурой теплового контроля (ТК) в виде температурных сигналов . [4]

Внутренние дефекты различного вида описываются различными граничными условиями. Если дефект моделируют слоем инородного материала, например, газонаполненным промежутком между слоями композита, на границе тело - дефект имеют место условия неразрывности теплового потока и температуры:

,  (2.1.1)

При введении условий (2.1.1) необходимо решать дифференциальное уравнение теплопроводности не только в основном материале, но также и в дефекте, "сшивая" решения на границе дефект - основной материал. При этом распределение температуры в объекте контроля будет зависеть от теплопроводности и температуропроводности (теплоемкости) дефекта.

Теплоемкость дефекта может существенно влиять на величину температурного сигнала и его временное развитие в ходе нагрева - охлаждения, если она сопоставима с теплоемкостью объекта контроля (в двусторонней процедуре ТК) или слоя материала над дефектом (в односторонней процедуре). Такие дефекты иногда называют емкостными. Емкостными дефектами являются противопехотные мины, размещаемые в почву на глубину до 10 см.

Влияние теплоемкости дефекта также может быть заметным в случае обширных неглубоких расслоений в композиционных материалах. Емкостной характер дефекта ответствен за так называемую инверсию температурного сигнала, когда дефектная область над низкотеплопроводным (воздушным) дефектом в односторонней процедуре ТК становится холоднее бездефектных областей, т.е. < 0.

Если теплоемкостью дефекта можно пренебречь, то его основной теплофизической характеристикой является тепловое сопротивление .Такие дефекты часто называют резистивными. На границах резистивных дефектов температура изменяется скачкообразно, а тепловой поток остается неразрывным:

; , (2.1.2)

где  и  обозначают переднюю и заднюю поверхность дефекта.

В зоне контакта двух шероховатых материалов возникает "контактное тепловое сопротивление". Модели ТК с резистивными дефектами имеют более простой вид и часто используются при разработке алгоритмов тепловой дефектометрии.

.2 Тепловой метод обнаружения мин (ТМОМ) и устройства для осмотра минных полей

Различают пассивный и активный тепловые методы обнаружения мин. При пассивном ТМОМ анализ тепловых полей производят в процессе их естественного состояния. Активный ТМОМ предлагает нагрев объекта внешним источником энергии. Основной характеристикой температурного поля, являющейся индикатором мин, служит величина локального температурного перепада. Координаты места перепада, его рельеф или, иными словами, топология температурного поля и его величина являются функцией большого количества факторов. Эти факторы можно подразделить на внутренние и внешние.[4]

Внутренние факторы определяются теплофизическими свойствами контролируемого объекта, а также его геометрическими параметрами. Они определяют временные параметры процесса теплопередачи, в основном, процесса развития температурного перепада. Внешними факторами являются характеристики процесса теплообмена на поверхности объекта контроля (чаще всего коэффициент конвективной теплоотдачи), мощность источника нагрева и скорость его перемещения вдоль объекта контроля.

Основным информационным параметром при ТМОМ является локальная разность температур между объектом и фоном. В каждом конкретном случае следует оптимальным образом выбирать момент регистрации t_m температурного перепада. Величина t_m зависит от тепло- и температуропроводности изделия и почвы, а также глубины залегания мины. Момент времени наступления максимального перепада и глубина залегания обычно связаны линейной зависимостью, причем угол наклона соответствующей прямой зависит от теплофизических свойств изделия и грунта. Чем больше теплопроводность изделия, тем меньше величина t_m. В зависимости от типа материала и глубины залегания мины величина t_m для металлов колеблется от долей до десятков секунд, для неметаллов t_m может составлять десятки минут. Увеличение мощности нагревателя и уменьшение интенсивности теплообмена приводит к росту уровня нагрева изделия и лучшему выявлению мин.