Способ оценки различия теплофизических параметров видимой поверхности изотропного объекта с учетом фона

Изобретение относится к теплофизическим измерениям и может быть использовано для определения комплекса теплофизических параметров изотропных материалов. Заявленный способ включает тепловое воздействие от инфракрасного источника нагрева по всей поверхности исследуемого изотропного объекта. Измерение тепловизионным приемником радиационной температуры производят во всех точках пространственной сетки зондируемой поверхности исследуемого изотропного объекта. Располагают тепловизионный приемник на заданном расстоянии d от оси геометрического центра исследуемого объекта и совершают тепловизионным приемником круговое движение с постоянной скоростью относительно геометрического центра объекта, либо тепловизионный приемник, размещают неподвижно на заданном расстоянии d от оси геометрического центра исследуемого объекта, осуществляя вращения с постоянной скоростью исследуемого изотропного объекта и фона относительно оси поворотной конструкции, на которой они расположены. Формируют набор термограмм круговых разверток радиационных инфракрасных изображений объекта и фона, полученных в разные моменты времени. Применяют разностную модель с использованием неявных схем. Определяют из минимума невязки искомые оцененные значения для каждой точки пространственного распределения теплофизических параметров исследуемого изотропного объекта. Технический результат - повышение точности получаемых данных. 5 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к теплофизическим измерениям и может быть использовано для определения комплекса теплофизических параметров изотропных материалов, в том числе с не плоской поверхностью, методом активного теплового неразрушающего контроля, заключающимся в измерении пространственного распределения теплофизических параметров по всей видимой поверхности исследуемого изотропного объекта и фона путем дистанционного измерения тепловизионным приемником радиационной температуры во всех точках пространственной сетки зондируемой поверхности круговой развертки исследуемого изотропного объекта и фона (плоского эталонного изотропного материала), равномерно нагретой путем воздействия источника инфракрасного излучения.

Известен способ определения температуропроводности материалов, заключающийся в том, что исследуемый образец нагревают точечным источником тепла постоянной мощности, измеряют температуру поверхности образца датчиком температуры при взаимном относительном перемещении по прямой линии образца и датчика, жестко связанного с источником тепла, измеряют амплитудное значение импульсного сигнала датчика, определяют скорость перемещения источника тепла и зависимости координат точки визирования датчика от времени (авторское свидетельство СССР №1695203, МПК5 G01N 25/18, 30.11.1991).

Недостатком этого способа является значительная методическая погрешность измерения теплофизических параметров, связанная с использованием в математической модели упрощенных тепловых моделей рассматриваемых физических процессов.

Известен наиболее близкий к данному техническому решению способ идентификации скрытых подповерхностных объектов в грунте (патент РФ №2395074 С2, МПК G01N 25/18 (2006.01), 20.07.2010), заключающийся в том, что осуществляют тепловое воздействие от инфракрасного источника нагрева на поверхность грунта, измеряют радиационную температуру на поверхности грунта, рассчитывают математическую модель прямой задачи теплопроводности на основе метода конечных разностей, при этом производят измерение радиационной температуры во всех точках пространственной сетки зондируемой (исследуемой) поверхности при нагреве грунта в течение 90 с и последующем остывании в течение 90 с и применяют для восстановления температурного поля по глубине прогрева одномерную промежуточную сеточную функцию источника нагрева на поверхности грунта.

Недостатком данного способа является низкая точность измерения теплофизических параметров (температуропроводности и теплопроводности), ограниченная площадь зондируемой поверхности грунта, определяемая растром изображения тепловизионного приемника, а также большие вычислительные затраты (длительное время вычисления искомых значений теплофизических параметров), связанные с применением в используемых математических моделях разностных аппроксимаций построенных на основе явных схем.

Задачей предлагаемого изобретения является получение оценки различия теплофизических параметров исследуемого объекта относительно фона в инфракрасном диапазоне длин волн в автоматическом режиме без использования традиционного метода экспертных оценок, уменьшение методической погрешности измерения пространственного распределения теплофизических параметров исследуемого изотропного объекта на основе применения в качестве фона эталонного изотропного материала, получение круговой развертки1 исследуемого изотропного объекта и фона в спектре инфракрасного излучения, уменьшение вычислительных затрат путем использования неявных разностных схем.

Техническим результатом изобретения является получение оценки различия теплофизических параметров исследуемого объекта относительно фона в инфракрасном диапазоне длин волн в автоматическом режиме без использования традиционного метода экспертных оценок, повышение точности измерения пространственного распределения теплофизических параметров исследуемого изотропного объекта (в том числе с не плоской поверхностью), сокращение времени вычисления искомых значений теплофизических параметров.

Поставленный технический результат достигается тем, что в способе оценки различия теплофизических параметров видимой поверхности изотропного объекта с учетом фона включает тепловое воздействие от инфракрасного источника нагрева по всей поверхности исследуемого изотропного объекта, измерение тепловизионным приемником радиационную температуру во всех точках пространственной сетки зондируемой поверхности исследуемого изотропного объекта и расчет математической модели прямой задачи теплопроводности на основе метода конечных разностей, при этом размещают исследуемый изотропного объект на эталонном изотропном материале - фоне, осуществляют тепловое воздействие инфракрасным источником нагрева по всей видимой поверхности исследуемого изотропного объекта и фона, располагают тепловизионный приемник на заданном расстоянии d от оси геометрического центра исследуемого объекта под малым углом наклона относительно фона и совершают тепловизионным приемником круговое движение с постоянной скоростью относительно геометрического центра исследуемого изотропного объекта либо тепловизионный приемник, размещают неподвижно на заданном расстоянии d от оси геометрического центра исследуемого изотропного объекта под малым углом наклона относительно фона, осуществляя вращения с постоянной скоростью исследуемого - изотропного объекта и фона относительно оси поворотной конструкции, на которой они расположены, при этом, перед началом проведения измерения радиационную температуру измеряют на поверхности эталонного материала с известными теплофизическими параметрами в одной точке, затем радиационные температуры с заданной периодичностью измеряют во всех точках пространственной сетки зондируемой поверхности исследуемого изотропного объекта и фона, формируют набор термограмм - круговых разверток радиационных инфракрасных изображений объекта и фона, полученных в разные моменты времени, применяют разностную модель с использованием неявных схем:

{ T 0 k = T 1 k + 1 λ ( Δ x 1 2 + 2 a ) + 2 E a Δ x 1 Δ τ λ Δ x 1 2 2 T 0 k + 1 a Δ τ ( λ + α ) λ Δ x 1 2 T 1 k = 2 a Δ τ ( Δ x 1 + Δ x ) Δ x 1 T 0 k + 1 ( 2 a Δ τ Δ x 1 Δ x + 1 ) T 1 k + 1 + 2 a Δ τ ( Δ x 1 + Δ x ) Δ x T 2 k + 1 T 2 k = a Δ τ Δ x 2 T 1 k + 1 ( 2 a Δ τ Δ x 2 + 1 ) T 2 k + 1 + a Δ τ Δ x 2 T 3 k + 1 , ........ T M 3 k = a Δ τ Δ x 2 T M 2 k + 1 ( 2 a Δ τ Δ x 2 + 1 ) T M 1 k + 1 + a Δ τ Δ x 2 T M k + 1 ,

получают на основании численного решения данной системы уравнений дискретную функцию зависимости температуры на поверхности исследуемого объекта и фона от времени

T 0 k = T i . j [ Δ τ k ] ,

решают оптимизационную параметрическую задачу для эталонного изотропного материала

{ J [ k : E , α ] = k = 0 K ( T [ a Ф , λ Ф , β , Δ τ , Δ x , ε , k , m , d : E α ] T ˜ Ф [ Δ τ k ] ) 2 } min E , α ;

находят из минимума невязки численные оценки E ^ и α ^ ; решают оптимизационную параметрическую задачу для исследуемого изотропного объекта в каждой точке пространственной сетки круговой развертки исследуемого изотропного объекта и фона в соответствии с растром изображения:

{ J i , j [ k : a , λ ] = k = 0 K ( T i , j [ E ^ , α ^ , β , Δ τ , Δ x , ε , k , m : a , λ ] T ˜ i , j [ Δ τ k ] ) 2 } min a , λ ;

определяют из минимума невязки искомые оцененные значения для каждой точки пространственного распределения теплофизических параметров исследуемого изотропного объекта a ^ и λ ^ ,

осуществляют автоматическую оценку различия теплофизических параметров видимой поверхности изотропного объекта с учетом фона путем сравнения теплофизических параметров этого объекта и фона и определения зоны необнаружения, исходя из вероятности нераспознавания объекта относительно фона при помощи выражения:

( 1 + ξ ) > λ λ Ф ( 1 ξ ) .

a - температуропроводность исследуемого изотропного объекта;

λ - теплопроводность исследуемого изотропного объекта;

a Ф - температуропроводность эталонного изотропного материала;

λФ - теплопроводность эталонного изотропного материала;

a - оцененное значение температуропроводности исследуемого изотропного объекта;

λ - оцененное значение теплопроводности исследуемого изотропного объекта;

β - коэффициент релаксации;

T m k - сеточная функция;

ε - коэффициент излучения;

k - номер отсчета для сеточной функции по времени, где k [ 0 , K ¯ ] ;

m - номер отсчета для сеточной функции по пространству, где m [ 0 , M ¯ ] ;

Δτ - шаг сетки по времени;

Δx, Δx1 - шаг сетки по расстоянию;

Е - плотность теплового потока от инфракрасного источника нагрева, отнесенная к единице площади пространственной сетки;

α - коэффициент теплоотдачи, отнесенный к единице площади поперечного сечения пространственной сетки;

Ji,j - функционал невязки;

T ˜ i , j - значение разности радиационной температуры исследуемого изотропного объекта по отношению к температуре окружающей среды, полученное для каждой точки зондируемой поверхности круговой развертки исследуемого изотропного объекта и фона в соответствии с растром изображения;

i, j - номера отсчетов пространственной сетки видимой поверхности изотропного объекта и фона, где i [ 0 , I ¯ ] , j [ 0 , J ¯ ] ;

I×J-растр изображения;

T i , j [ E , α , β , Δ τ , Δ x , ε , k , m ] - значение разности температур, рассчитанное дискретной математической моделью, с учетом исследуемого изотропного объекта;

T ˜ Ф - значение разности радиационной температуры фона (эталонный изотропный материал), измеренной тепловизионным приемником, по отношению к температуре окружающей среды;

E ^ - оцененное значение коэффициента теплового потока;

α ^ - оцененное значение коэффициента теплоотдачи;

d - заданное расстояние между тепловизионным приемником и исследуемым объектом;

ξ - предельное отклонение яркости объекта от яркости фона на изображение тепловой томограммы, при котором этот объект неразличим, ξ [ 0 , 1 ¯ ] .

Сущность изобретения заключается в следующем.

При помощи средств инфракрасной (ИК) термографии измеряют радиационные температуры по всей видимой поверхности объекта с заданной периодичностью. Получают круговую развертку объекта в спектре инфракрасного излучения, формируя кубоид ИК-изображений (фиг.3). Данный физический процесс в одномерном пространстве можно описать математической моделью нелинейной задачи теплопроводности (1) с учетом теплообмена исследуемого изотропного объекта с окружающей средой:

T ( x , τ ) τ = x ( a ( T ) T ( x , τ ) x ) ; ( 4 )

T ( x , 0 ) = 0 , T ( ± , τ ) 0

граничные условия на поверхности исследуемого изотропного объекта и фона (эталонный изотропный материал):

λ ( T ) T x | 0 a T n = q ( τ ) h ( τ ) , ( 5 )

где Tn - температура поверхности исследуемого изотропного объекта и фона, h(τ) - ступенчатая функция, q(τ) - тепловой поток, а - коэффициент температуропроводности, λ(τ) - нелинейная функция теплопроводности. Нелинейную задачу теплопроводности (4) при граничных условиях (5) решают методом конечных разностей. Система уравнений, аппроксимирующая неоднородное дифференциальное уравнение (4) и граничные условия (5), на основе использования неявных разностных схем будет иметь вид (1). Граничные условия аппроксимируют на основании выражения полученного с помощью метода теплового баланса:

λ T 1 k T 2 k h α T 1 k = q k + λ 2 a T 1 k + 1 T 2 k Δ τ , ( 6 )

где λ - коэффициент теплопроводности, α - коэффициент теплоотдачи, а -коэффициент температуропроводности, h - ступенчатая функция, k - номер отсчета для сеточной функции по времени, Т - значение радиационной температуры исследуемого изотропного объекта и фона. При этом Е и α(формулы (1), (2)) отнесены к единице площади поперечного сечения пространственной сетки и выражены в Вт/м2 и Дж/(м2·K).

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена схема получения круговой развертки исследуемого изотропного объекта и фона, на которой тепловизионный приемник расположен на заданном расстоянии d от оси геометрического центра исследуемого объекта Y под малым углом наклона φ относительно фона и при условии кругового движения тепловизионного приемника относительно оси геометрического центра исследуемого изотропного объекта Y;

На фиг.2 представлена схема получения круговой развертки исследуемого изотропного объекта и фона, на которой тепловизионный приемник расположен на заданном расстоянии d от оси геометрического центра исследуемого изотропного объекта Y под малым углом наклона φ относительно фона и при условии кругового движения исследуемого изотропного объекта и фона относительно оси поворотной конструкции Y, на которой они расположены.

На фиг.1 и фиг.2 обозначено:

1 - поток ИК излучения;

2 - фон (эталонный изотропный материал);

3 - исследуемый изотропный объект;

4 - тепловизионный приемник;

5 - специальная поворотная конструкция (фиг.2);

d - расстояние между тепловизионным приемником и исследуемым изотропным объектом;

φ- угол наклона тепловизионного приемника относительно фона;

υ - скорость кругового движения тепловизионного приемника либо специальной поворотной конструкции.

На фиг.3 представлена блок-схема устройства реализующая способ измерения пространственного распределения теплофизических параметров по всей площади исследуемого изотропного объекта, где:

6 - запоминающее устройство;

7 - блок формирования развертки ИК-изображения;

8 - вычислительное устройство;

9 - блок формирования математической модели процесса остывания поверхности исследуемого изотропного объекта и фона (эталонного изотропного материала);

10 - блок вычислителя квадратичного отклонения;

11 - блок решения двухпараметрической оптимизационной задачи;

12 - блок вычисления коэффициента различия теплофизических параметров фона от теплофизических параметров исследуемого изотропного объекта.

На фиг.4 представлена диаграмма вероятностей необнаружения исследуемого изотропного объекта относительно фона в соответствии с углом обзора.

На фиг.5 представлена диаграмма распределения отношений теплофизических параметров исследуемого изотропного объекта и фона в зависимости от угла обзора с обозначенной зоной необнаружения этого объекта на заданном фоне.

Способ осуществляется следующим образом.

Размещают исследуемый изотропный объект 3 на эталонном изотропном материале (фоне) 2. Осуществляют тепловое воздействие от ИК источника нагрева 1 по всей видимой поверхности исследуемого изотропного объекта 3 и фона (эталонного изотропного материала) 2. Тепловизионный приемник 4 располагают на заданном расстоянии d от оси геометрического центра исследуемого объекта Y под малым углом наклона φ относительно фона (фиг.1). Тепловизионным приемником 4 совершают круговое движение с постоянной скоростью υ относительно геометрического центра исследуемого изотропного объекта Y, тем самым получают круговую развертку объекта 3 и фона 2 в инфракрасном диапазоне длин волн. Либо тепловизионный приемник 4 располагают неподвижно (фиг.2) на заданном расстоянии d от оси геометрического центра исследуемого изотропного объекта Y под малым углом наклона φ относительно фона 2. Специальной поворотной конструкцией 5, на которой расположены исследуемый изотропный объект 3 с эталонным изотропным материалом 2, совершают вращение с постоянной скоростью υ относительно геометрического центра исследуемого объекта Y, получая круговую развертку объекта 3 и фона 2 в инфракрасном диапазоне длин волн.

На выходе тепловизионного приемника 4 (фиг.3) формируется кубоид ИК-изображений, поступающий на вход запоминающего устройства 6. В устройстве 7 из кубоида ИК-изображений формируется развертка ИК-изображения путем построчной записи в файл и поступает на вычислительное устройство 8, где производится вычисление разности температур поверхности исследуемого изотропного объекта 3 относительно температуры окружающей среды. Блок 10 выполняет функцию вычисления квадратичного отклонения значений параметров математической модели, формируемых в блоке математической модели 9 от значений параметров, измеренных тепловизионным приемником 1. Блок 11 осуществляет решение двухпараметрической оптимизационной задачи с выводом матриц пространственного распределения оцененных значений теплофизических параметров a ^ и λ ^ . Блок 12 предназначен для вычисления коэффициента различия теплофизических параметров фона 2 (эталонного материала) от теплофизических параметров исследуемого изотропного объекта 3.

Перед началом проведения измерения, радиационную температуру измеряют на поверхности фона 2 - эталонного материала, с известными теплофизическими параметрами в одной точке, после чего определяют численные оценки значений коэффициента теплоотдачи и плотности теплового потока (2). После этого, в процессе проведения измерения, радиационные температуры измеряют на поверхности исследуемого изотропного объекта 3 и фона 2 во всех точках пространственного разрешения круговой развертки с заданной периодичностью. Численные оценки значений теплофизических параметров во всех точках пространственного разрешения круговой развертки объекта 3 и фона 2 в разные моменты времени получают путем решения коэффициентной обратной задачи теплопроводности на основе построенной разностной математической модели (1).

Оценку различия теплофизических параметров исследуемого изотропного объекта относительно фона, на котором этот объект расположен, по изображениям тепловых томограмм осуществляют при помощи формулы:

P ¯ j = ( 1 i = 1 N p i j N ) , ( 7 )

где P ¯ j - вероятность нераспознавания объектов по изображению тепловой томограммы для у-го угла обзора (фиг.4), где j [ 0 , 360 ¯ ] ; pij- частная оценка распознавания объекта на изображении тепловой томограммы i экспертом для j-го угла обзора, p i [ 0 , 1 ¯ ] ; N- количество экспертов.

Автоматическая оценка различия теплофизических параметров исследуемого изотропного объекта относительно фона осуществляется путем сравнения теплофизических параметров этого объекта и фона (фиг.5) и определения зоны необнаружения исходя из вероятности нераспознавания объекта относительно фона (фиг.4) при помощи выражения:

( 1 + ξ ) > λ λ Ф ( 1 ξ ) ( 8 )

где ξ - предельное отклонение яркости объекта от яркости фона на изображение тепловой томограммы, при котором этот объект неразличим, ξ [ 0 , 1 ¯ ] .

Таким образом, способ измерения пространственного распределения теплофизических параметров осуществляют в 2 этапа.

Первый этап заключается в оценке неизвестных параметров математической модели на основе использования эталонного изотропного материала.

Второй этап заключается в оценке теплофизических параметров во всех точках зондируемой поверхности круговой развертки исследуемого изотропного объекта и фона (эталонного изотропного материала), нагретых источником ИК излучения. Для этого формируют набор круговых разверток исследуемого изотропного объекта и фона в ИК диапазоне длин волн, полученных тепловизионным приемником с периодичностью, обеспечивающей максимальное качество получаемого изображения.

Решают оптимизационную параметрическую задачу (3) для исследуемого изотропного объекта и фона в каждой точке зондируемой поверхности круговой развертки исследуемого изотропного объекта и фона, в результате чего получают пространственное распределение оцененных значений теплофизических параметров исследуемого изотропного объекта и фона:

температуропроводности

a ^ = [ a ^ i , j a ^ i , J a ^ I , j a ^ I , J ] , ( 9 )

теплопроводности

λ ^ = [ λ ^ i , j λ ^ i , J λ ^ I , j λ ^ I , J ] . ( 10 )

Пример реализации способа.

При помощи вышеописанного устройства предложенный способ был апробирован для определения комплекса теплофизических параметров ряда изотропных материалов с известной теплопроводностью и температуропроводностью, заранее определенных стандартизированными методами. В качестве эталонного материала использовали кварцевый песок с теплопроводностью 0.9 Вт·м-1·K-1, температуропроводностью 9·10-7 м2·с-1. На поверхности кварцевого песка располагался испытуемый объект. В результате решения двухпараметрической оптимизационной задачи (2) были получены численные оценки коэффициента теплоотдачи α=10 Дж·м-2·K-1 и теплового потока Е=2700 Вт·м-2. При этом параметры математической модели составили следующие значения β1=0.001,β2=10, Δτ=60 с, Δx=0.003 м, Δx1=0,00001 м, m=150 отсчетов. Используя полученные численные оценки для решения оптимизационной задачи (3) получают матрицы распределения оцененных значений теплофизических параметров поверхности исследуемого изотропного объекта и фона. При этом среднее значение теплопроводности фона составило 0.699 Вт·м-1·K-1, а температуропроводности 9,72·10-7 м2·с-1.

Погрешность измерения теплофизических параметров предложенным способом меньше, чем у рассмотренного способа-прототипа, так как погрешность аппроксимации неоднородного дифференциального уравнения с использованием явных схем, применяемых в способе-прототипе имеет погрешность первого порядка O(x), а для неявных схем, применяемых в предлагаемом способе погрешность аппроксимации неоднородных дифференциальных уравнений имеет погрешность второго порядка O(x2) (см. Самарский А.А. Введение в численные методы - М: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1982. - 271 с.).

Получение круговой развертки исследуемого изотропного объекта и фона в спектре инфракрасного излучения осуществляется за счет использования подвижного датчика тепловизионного приемника (либо за счет вращения с постоянной скоростью исследуемого объекта и фона относительно оси поворотной конструкции, на которой они расположены, при неподвижном датчике тепловизионного приемника).

Неявные схемы требуют для решения неоднородных дифференциальных уравнений на один порядок меньше шагов вычисления по времени и соответственно вычислительных операций по сравнению с неявными схемами.

Оценка различия теплофизических параметров исследуемого изотропного объекта относительно фона в инфракрасном диапазоне длин волн получена в виде распределения вероятности необнаружения (фиг.4), на основании которой можно судить о различной степени различия теплофизических параметров исследуемого объекта в зависимости от выбранного угла обзора на него в соответствии с заданной системой координат.

Способ оценки различия теплофизических параметров - видимой поверхности изотропного объекта с учетом фона, включающий тепловое воздействие от инфракрасного источника нагрева по всей поверхности исследуемого изотропного объекта, измерение тепловизионным приемником радиационную температуру во всех точках пространственной сетки зондируемой поверхности исследуемого изотропного объекта и расчет математической модели прямой задачи теплопроводности на основе метода конечных разностей, отличающийся тем, что размещают исследуемый изотропного объект на эталонном изотропном материале - фоне, осуществляют тепловое воздействие инфракрасным источником нагрева по всей видимой поверхности исследуемого изотропного объекта и фона, располагают тепловизионный приемник на заданном расстоянии d от оси геометрического центра исследуемого объекта под малым углом наклона относительно фона и совершают тепловизионным приемником круговое движение с постоянной скоростью относительно геометрического центра исследуемого изотропного объекта либо тепловизионный приемник размещают неподвижно на заданном расстоянии d от оси геометрического центра исследуемого изотропного объекта под малым углом наклона относительно фона, осуществляя вращения с постоянной скоростью исследуемого изотропного объекта и фона относительно оси поворотной конструкции, на которой они расположены, при этом перед началом проведения измерения радиационную температуру измеряют на поверхности эталонного материала с известными теплофизическими параметрами в одной точке, затем радиационные температуры с заданной периодичностью измеряют во всех точках пространственной сетки зондируемой поверхности исследуемого изотропного объекта и фона, формируют набор термограмм - круговых разверток радиационных инфракрасных изображений объекта и фона, полученных в разные моменты времени, применяют разностную модель с использованием неявных схем:

получают на основании численного решения данной системы уравнений дискретную функцию зависимости температуры на поверхности исследуемого объекта и фона от времени
T 0 k = T i . j [ Δ τ k ] ,
решают оптимизационную параметрическую задачу для эталонного изотропного материала
{ J [ k : E , α ] = k = 0 K ( T [ a Ф , λ Ф , β , Δ τ , Δ x , ε , k , m , d : E , α ] T ˜ Ф [ Δ τ k ] ) 2 } min E , α ;
находят из минимума невязки численные оценки E и α ;
решают оптимизационную параметрическую задачу для исследуемого изотропного объекта в каждой точке пространственной сетки круговой развертки исследуемого изотропного объекта и фона в соответствии с растром изображения:
{ J i , j [ k : a , λ ] = k = 0 K ( T i , j [ E , α , β , Δ τ , Δ x , ε , k , m : a , λ ] T ˜ i , j [ Δ τ k ] ) 2 } min a , λ ;
определяют из минимума невязки искомые оцененные значения для каждой точки пространственного распределения теплофизических параметров исследуемого изотропного объекта и λ ,
осуществляют автоматическую оценку различия теплофизических параметров видимой поверхности изотропного объекта с учетом фона путем сравнения теплофизических параметров этого объекта и фона и определения зоны необнаружения, исходя из вероятности нераспознавания объекта относительно фона при помощи выражения:
( 1 + ξ ) > λ λ Ф ( 1 ξ ) .
а - температуропроводность исследуемого изотропного объекта;
λ - теплопроводность исследуемого изотропного объекта;
a Ф - температуропроводность эталонного изотропного материала;
λФ - теплопроводность эталонного изотропного материала;
- оцененное значение температуропроводности исследуемого изотропного объекта;
λ - оцененное значение теплопроводности исследуемого изотропного объекта;
β - коэффициент релаксации;
T m k - сеточная функция;
ε - коэффициент излучения;
k - номер отсчета для сеточной функции по времени, где k [ 0 , K ¯ ] ;
m - номер отсчета для сеточной функции по пространству, где m [ 0 , M ¯ ] ;
Δτ - шаг сетки по времени;
Δx, Δx1, - шаг сетки по расстоянию;
Е - плотность теплового потока от инфракрасного источника нагрева, отнесенная к единице площади пространственной сетки;
α - коэффициент теплоотдачи, отнесенный к единице площади поперечного сечения пространственной сетки;
Ji,j - функционал невязки;
T ˜ i , j - значение разности радиационной температуры исследуемого изотропного объекта по отношению к температуре окружающей среды, полученное для каждой точки зондируемой поверхности круговой развертки исследуемого изотропного объекта и фона в соответствии с растром изображения;
i, j - номера отсчетов пространственной сетки видимой поверхности изотропного объекта и фона, где i [ 0 , I ¯ ] , j [ 0 , J ¯ ] ;
I×J - растр изображения;
T i , j [ E , α , β , Δ τ , Δ x , ε , k , m ] - значение разности температур, рассчитанное дискретной математической моделью, с учетом исследуемого изотропного объекта;
T ˜ Ф - значение разности радиационной температуры фона (эталонный изотропный материал), измеренной тепловизионным приемником, по отношению к температуре окружающей среды;
E ^ - оцененное значение коэффициента теплового потока;
α ^ - оцененное значение коэффициента теплоотдачи;
d - заданное расстояние между тепловизионным приемником и исследуемым объектом;
ξ - предельное отклонение яркости объекта от яркости фона на изображение тепловой томограммы, при котором этот объект неразличим, ξ [ 0 , 1 ¯ ] .



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к теплофизическим измерениям и может быть использовано для определения комплекса теплофизических параметров изотропных материалов. Способ определения комплекса теплофизических параметров изотропных материалов включает тепловое воздействие от инфракрасного источника нагрева по всей поверхности исследуемого изотропного материала.

Изобретение относится к теплофизическим измерениям и может быть использовано для определения комплекса теплофизических параметров изотропных материалов. Способ включает тепловое воздействие от инфракрасного источника нагрева по всей видимой поверхности исследуемого изотропного материала.

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для измерения рабочих характеристик теплообменников. Заявлено устройство для измерения рабочих характеристик теплообменников, включающее теплоизолированный корпус парогенератора с крышкой, изоляторы, электроды, теплообменник, соединенный трубопроводом с крышкой и нижней частью корпуса парогенератора, расширительную емкость, измерительно-вычислительный блок, соединенный с электродами.

Устройство относится к области измерительной техники и может быть использовано для теплового контроля материалов. Устройство содержит источник импульсного нагрева, четыре термопары, четыре усилителя, дифференциатор, семь интеграторов, пять компараторов, шесть масштабных усилителей, датчик длительности импульса нагрева, четыре блока деления, три блока умножения, экстрематор, переключатель, два делителя частоты, четыре блока памяти, шесть сумматоров, источник опорного напряжения, пять блоков вычитания, блок управления, шесть блоков памяти, переключатель, четыре блока деления и два квадратора.

Изобретение относится к области изучения физических свойств неоднородных материалов и может быть использовано для анализа теплопроводности, температуропроводности, объемной теплоемкости различных материалов.

Изобретение относится к области исследования теплофизических характеристик материалов и может быть использовано при тепловых испытаниях твердых материалов. Заявлен способ измерения теплофизических свойств твердых материалов методом плоского мгновенного источника тепла, заключающийся в том, что образец исследуемого материала изготавливают в виде трех пластин.

Группа изобретений относится к области измерительной техники и может быть использована для исследования температуропроводности материалов. Подготовленный для исследования образец подвергают воздействию тепловой и механической нагрузке, в форме осевого одноосного механического растяжения и угловому отклонению вектора температурного градиента от вектора ускорения свободного падения, совпадающего с вектором силы тяжести.

Изобретение предназначено для комплексного определения основных теплофизических свойств твердого тела и может применяться в строительстве и теплоэнергетике. Устройство состоит из источника инфракрасного излучения, твердого тела и системы охлаждения твердого тела, работающей с помощью вентиляционных отверстий на крышке устройства и перфорированной перегородки.

Изобретение относится к области теплофизики и может быть использовано при проведении мероприятий неразрушающего контроля комплекса теплофизических характеристик твердых строительных материалов.

Изобретение относится к текстильной и легкой промышленности и может быть использовано для определения теплозащитных свойств материалов и пакетов одежды. Сущность изобретения заключается в измерении времени остывания аккумулятора тепла, помещенного внутрь материала, пакета одежды, в заданном интервале температур и определении суммарного теплового сопротивления образца.

Изобретение относится к теплофизике и может быть использовано для определения степени черноты поверхности композитных и тонкопленочных материалов. Устройство применимо при нагреве поверхности образца и регистрации радиационной температуры от образцов с покрытием известного значения степени черноты и без покрытия. Устройство обеспечивает локализацию области измеряемого участка посредством специального защитного экрана от воздействия помех, а также создание локальной области нагрева, стабильной по температуре и площади от специального источника тепла. Также предусматривается применение ИК-метки для предварительной идентификации параметров теплового поля и работы с наименьшими потерями. Технический результат - повышение достоверности определения степени черноты поверхности материалов. 6 з. п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к способам определение теплопроводности и температуропроводности материалов. В соответствии с предлагаемым способом регистрируют электрические сигналы, соответствующие начальным температурам поверхностей исследуемого образца материала по меньшей мере двух эталонных образцов с известными теплопроводностью и температуропроводностью. Осуществляют нагрев поверхностей исследуемых и эталонных образцов оптическим источником тепла и регистрируют электрические сигналы, соответствующие температурам нагретых поверхностей исследуемых и эталонных образцов по линии нагрева, а также параллельно линии нагрева на расстоянии от нее. Теплопроводность и температуропроводность исследуемого образца определяют на основе разности выходных электрических сигналов, соответствующих нагретым и ненагретым поверхностям исследуемых и эталонных образцов. Технический результат - повышение точности определения теплопроводности, температуропроводности и объемной теплоемкости материалов без предварительной обработки поверхности материалов для выравнивания их оптических характеристик. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к теплофизике и может быть использовано для определения степени черноты поверхности композитных и тонкопленочных материалов. Способ основан на применении нагрева поверхности образца и регистрации радиационной температуры от образца с покрытием известного значения степени черноты и от образца без покрытия. Заявляемое решение обеспечивает локализацию области измеряемого участка посредством специального экрана от воздействия помех, а также создание локальной области нагрева, стабильной по температуре и площади от специального источника тепла направленного действия. Также предусматривается применение ИК-метки для предварительной идентификации параметров теплового поля и работы с наименьшими потерями. Технический результат - повышение достоверности определения степени черноты поверхности материалов. 10 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к бесконтактным методам исследований теплофизических характеристик твердых тел и может быть использовано для исследований теплофизических характеристик изделий, используемых в авиакосмической, машиностроительной и энергетической промышленности. Устройство для бесконтактного определения коэффициента температуропроводности твердых тел содержит плоский оптический нагреватель и тепловизор, подключенные к компьютеру, оптически непрозрачную маску для формирования пространственного поля нагрева. Устройство также дополнительно содержит оптический объектив, предназначенный для фокусирования теплового излучения плоского оптического нагревателя и оптически непрозрачную шторку, позволяющую открывать и закрывать тепловое излучение плоского оптического нагревателя в определенные моменты времени. Технический результат - повышение точности бесконтактного определения коэффициента температуропроводности твердых тел. 1 ил.

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности и касается определения тепловых свойств пород, слагающих разрез скважины и пласт в целом. Техническим результатом является повышение точности измерения среднеинтегрального значения теплопроводности горных пород по разрезу скважины и определение коэффициентов теплопередачи через НКТ и через обсадную колонну, а также длины циркуляционной системы скважины. Способ заключается в том, что выбирается остановленная скважина, производится ее промывка и при этом регистрируется температура на выходе циркуляционной системы. Причем закачка горячей жидкости (теплоносителя) производится через затрубное пространство, при этом на входе в него температура жидкости меняется по периодическому закону и регистрируется, а коэффициент теплопроводности λп и коэффициенты теплопередачи через НКТ k1 и обсадную колонну k2 вычисляются по математическим формулам.

Изобретение относится к способам измерений теплопроводности веществ, материалов и изделий и может быть использовано в теплофизическом приборостроении. Способ осуществляют путем теплового воздействие на образец с последующим охлаждением, измерения разности температур на границах исследуемого участка образца и количества тепла, поступившего в него за время интегрирования разности. Новизна способа заключается в том, что дополнительно осуществляют второе тепловое воздействие, измеряют перепады температур на данных границах относительно температуры окружающей среды, время начала интегрирования задают на стадии первого охлаждения, а его окончание определяют при втором охлаждении, в момент равенства взвешенных сумм перепадов температур в указанные моменты времени: Δt(0, τ2)+pΔt(L, τ2)=Δt(0, τ1)+pΔt(L, τ1), где τ1, τ2 - время начала и окончания интегрирования, p - весовой коэффициент. Теплопроводность определяют по формуле. Технический результат - увеличение точности определения теплопроводности. 2 ил.

Изобретение относится к области исследования теплофизических свойств материалов и может быть использовано в теплофизическом приборостроении. Способ осуществляют путем двух тепловых воздействий на двухслойную пластину с последующими охлаждениями, измерения разности температур и теплового потока. Образец устанавливают поверхностью покрытия на теплоприемник и нагреватель. Разность температур измеряют в точках на противоположной поверхности пластины, одна из которых находится на ближней к нагревателю границе. Дополнительно измеряют перепад температур между этой точкой и окружающей средой. Время начала интегрирования задают при первом охлаждении, а окончание определяют при втором охлаждении, в момент достижения того же перепада температур, что и в начале. Теплопроводность определяют по формуле. Технический результат - увеличение точности и упрощение определения теплопроводности. 3 ил.

Изобретение относится к стационарным способам определения теплопроводности твердого тела и может быть использовано в строительстве и теплоэнергетике для проведения в натурных условиях теплофизических исследований теплоизоляционных материалов, установленных на трубопроводах круглого сечения. Сущность способа заключается в нагреве твердого тела цилиндрической формы контактным способом с помощью трубопровода с движущимся внутри него теплоносителем. По известному массовому расходу и температуре теплоносителя определяют его скорость и режим течения. По известной скорости, режиму течения теплоносителя и предварительно заданной температуре внутренней поверхности трубопровода определяют коэффициент теплоотдачи между теплоносителем и внутренней поверхностью трубопровода. По известной температуре наружной поверхности твердого тела, измеренной контактным или бесконтактным измерителем температуры, и окружающей среды определяют коэффициент теплоотдачи между наружной поверхностью твердого тела и окружающей средой. По уравнению теплопередачи для двухслойной цилиндрической стенки при стационарном тепловом режиме определяют коэффициент теплопроводности твердого тела. Технический результат - повышение точности определения коэффициента теплопроводности твердого тела цилиндрической формы при стационарном тепловом режиме. 4 ил.

Изобретение относится к теплофизическим измерениям и может быть использовано в теплофизическом приборостроении. Способ заключается в нагревании одной из поверхностей образца или ее участка до максимальной температуры, которую поддерживают до момента времени, когда измеряемая разность температур на границах исследуемого участка уменьшится до заданного значения. Затем снижают мощность нагрева до наступления стадии остывания образца с измеряемой скоростью изменения температуры, не превышающей установленного значения. Измеряют удельное количество тепла, приращения температуры на границах за два последовательных интервала времени, первый из которых определяется моментами времени: подачи тепла и достижения установленной скорости изменения температуры. Теплопроводность и объемную теплоемкость определяют по формулам. Технический результат - увеличение точности определения теплофизических свойств и уменьшение времени измерения. 4 ил.

Изобретение относится к способам определения теплофизических характеристик твердых тел и позволяет измерять теплопроводность образцов твердых тел, являющихся малыми во всех трех измерениях. Систему, состоящую из исследуемого образца, закрепленного между двумя одинаковыми эталонными образцами, изготовленными из одного прозрачного материала известной теплопроводности, где все образцы выполнены в форме прямых цилиндров с одинаковыми основаниями и приведены в контакт торцевыми сторонами, помещают в интерферометр. При создании в системе стационарного одномерного теплового потока, направленного перпендикулярно плоскости контактов, интерференционным методом измеряют изменение профиля фазы светового пучка интерферометра, проходящего через эталонные образцы, а теплопроводность вычисляют из измеренного изменения профиля фазы светового пучка интерферометра, теплопроводности эталонных образцов и высоты исследуемого образца. Технический результат - повышение точности определения теплопроводности образцов малого размера. 1 ил.

Изобретение относится к теплофизическим измерениям и может быть использовано для определения комплекса теплофизических параметров изотропных материалов. Заявленный способ включает тепловое воздействие от инфракрасного источника нагрева по всей поверхности исследуемого изотропного объекта. Измерение тепловизионным приемником радиационной температуры производят во всех точках пространственной сетки зондируемой поверхности исследуемого изотропного объекта. Располагают тепловизионный приемник на заданном расстоянии d от оси геометрического центра исследуемого объекта и совершают тепловизионным приемником круговое движение с постоянной скоростью относительно геометрического центра объекта, либо тепловизионный приемник, размещают неподвижно на заданном расстоянии d от оси геометрического центра исследуемого объекта, осуществляя вращения с постоянной скоростью исследуемого изотропного объекта и фона относительно оси поворотной конструкции, на которой они расположены. Формируют набор термограмм круговых разверток радиационных инфракрасных изображений объекта и фона, полученных в разные моменты времени. Применяют разностную модель с использованием неявных схем. Определяют из минимума невязки искомые оцененные значения для каждой точки пространственного распределения теплофизических параметров исследуемого изотропного объекта. Технический результат - повышение точности получаемых данных. 5 ил.

Наверх