|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
|
|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Тепловизионные приборы и системы для задач мониторинга кризисных ситуаций в мегаполисеСтр 1 из 6Следующая ⇒
Введение
При высокой плотности населения и промышленных предприятий в современных мегаполисах резко возрастает опасность массового поражения людей при неизбежно возникающих чрезвычайных ситуациях и экологических катастрофах (пожарах, взрывах с выделением ядовитых веществ, загрязнение атмосферы транспортом, промышленными предприятиями и др.). В полной мере это относится к Москве, с тем отличием, что большой износ промышленного оборудования во много раз увеличивает вероятность возникновения кризисных (КС) и чрезвычайных ситуаций (ЧС). В связи с этим резко возрастает роль структур, занимающихся мониторингом и прогнозированием КС и ЧС. В механизме управления городским хозяйством особую роль играют системы оперативного предупреждения о чрезвычайных ситуациях: пожарах, взрывах, химических выбросах, экологических катастрофах и т.д. Как правило, подобные узкопрофессиональные системы предупреждения могут охватывать отдельные помещения, здания, районы города или весь город целиком. Задачи, решаемые подобными системами, во многом схожи. В дипломной работе проводится разработка тепловизионного канала СП-1 АСДМ «Лидар» и его экспериментальное исследование на соответствие задачам мониторинга КС. Автоматическая система дистанционного мониторинга «Лидар» предназначена для обнаружения кризисных и чрезвычайных ситуаций в городе Москва, одним из показателей которых является аварийный аэрозольный выброс в атмосферный воздух. Стационарный пост 1 (СП-1) работает в режиме круглосуточного оперативного мониторинга КС. Согласно концепции системы, планируется установка трёх СП с зоной охвата 10–12 км каждый, что позволит охватить всю территорию Москвы. СП-2, второй пост системы АСДМ «Лидар», является эволюционным продолжением СП-1. Совокупность решений, применённых в СП-1 и СП-2, послужат базой для разработки СП-3 – полностью автоматического поста. Тепловизионный канал в составе АСДМ «Лидар» предназначен для ведения мониторинга в сложных метеорологических условиях, когда обычные камеры не позволяют вести наблюдение. В составе СП-1 тепловизионный канал убедительно доказал свою эффективность, позволяя отчётливо различать как шлейфы дыма, так и нагретые тела на фоне городской застройки.
Тепловизионные приборы и системы для задач мониторинга кризисных ситуаций в мегаполисе
В этой части дипломного проекта рассмотрены принципы построения тепловизионных систем мониторинга КС, выделены основные задачи систем такого рода. Проанализировано состояние современного уровня техники. Также были выдвинуты требования к тепловизионной системе СП-1, на основе которых сформулировано техническое задание.
Физические основы тепловизионных приборов
1.1.1 Историческая справка Существование теплового излучения за пределами видимого спектра было открыто Уильямом Гершелем в 1800 г. С помощью термометра, помещаемого за красным участком солнечного спектра при прохождении излучения сквозь диспергирующую призму, Гершель обнаружил невидимое глазом излучение, несущее энергию и проявляющееся своим тепловым действием. Впоследствии он доказал, что это излучение, названное инфракрасным, подчиняется тем же законам, что и видимый свет. Только в 1830 г. появились первые приемники инфракрасного излучения на основе принципа работы термопары, которые стали называть термоэлементами. Появление в 1880 г. терморезистивных материалов, т.е. материалов, электрическое сопротивление которых изменяется в зависимости от температуры (болометры), позволило существенно улучшить чувствительность приемников инфракрасного излучения. В период 1870–1920 гг. прогресс техники обеспечил разработку первых фотонных приемников, основанных на прямом взаимодействии между фотонами излучения и электронами материала приемника. Природа обнаружения излучения здесь другая – речь идет уже не о возникновении электрического сигнала в ответ на тепловое воздействие, а о непосредственном преобразовании излучения в электрический сигнал. Эти приемники, фоторезисторы или фотодиоды, имеют гораздо большее быстродействие и более высокую чувствительность, чем тепловые приемники. В период 1930–1944 гг. были разработаны приемники на основе сульфида свинца (PbS). Эти приемники чувствительны в спектральном диапазоне 1, 5 ч3 мкм. В 1940–1950 гг. рабочий спектральный диапазон был расширен на среднюю инфракрасную область (3 ч5 мкм), когда появился приемник из антимонида индия (InSb), а в 1960-х гг. началось применение в более длинноволновом диапазоне 8 ч14 мкм приемников КРТ (кадмий – ртуть – теллур (HgCdTe)). Приемники этих типов требуют охлаждения. Фотонные приемники благодаря высокой чувствительности и быстродействию позволили разработать термографические и тепловизионные системы, основанные на обнаружении инфракрасного излучения, испускаемого телами в интервале длин волн 2ч15 мкм. Физические принципы Материя непрерывно испускает и поглощает электромагнитное излучение. Процесс излучения связан с возбуждением молекул внутри вещества, в результате чего возникают излучательные переходы электронов. Выделяющаяся энергия уносится квазичастицами – квантами (фотонами) электромагнитного поля, имеющими энергию W. Освобожденная в форме излучения энергия W характеризуется длиной волны л;
W = hc / л,
где h= 6, 63*10-34 Дж*с – постоянная Планка, с = 3 * 108 м/с – скорость света. Длина волны испускаемого излучения обратно пропорциональна энергии, выделившейся при переходе. Важно отметить в этой связи, что в инфракрасной области по сравнению с видимой длины волн велики и энергия соответственно мала. Это предопределяет трудности обнаружения отдельных фотонов инфракрасного излучения. Если в веществе происходят все возможные переходы (тепловое возбуждение молекул), то каждый атом излучает определенную энергию, а в совокупности энергетические уровни принимают все возможные значения; распределение энергии по длинам волн в таком случае непрерывное и спектр испускания излучения непрерывный. В некоторых средах разрешенными оказываются только вполне определенные переходы (квантованные переходы электрона внутри атома), излучение происходит тогда на дискретных длинах волн и спектр испускания излучения линейчатый. Явление поглощения излучения веществом является обратным процессом и может быть более или менее селективным на длинах волн, присущих рассматриваемой среде. Спектр излучения произвольно делят на области по признаку функциональных особенностей источников или приемников излучения. Участки электромагнитного спектра показаны ниже в таблице 1.1.
Таблица 1.1. Спектр электромагнитного излучения
Инфракрасный спектр соответствует области излучения вещества при температурах, наблюдаемых обычно на поверхности Земли. При этих температурах, называемых обычными, все тела имеют заметное излучение. Объект, который не должен наблюдаться в инфракрасной области, следует охлаждать. Так, для уменьшения в 100 раз излучения в окрестности л = 4 мкм объекта с температурой + 20°С его следует охладить примерно на сотню градусов. С учетом характеристик приемников, используемых для обнаружения излучения, инфракрасную область делят на три больших участка – ближняя инфракрасная область (длины волн 0, 75ч1, 5 мкм), средняя инфракрасная область (длины волн 1, 5ч20 мкм) и дальняя инфракрасная область (длины волн 20ч1000 мкм). Инфракрасное излучение в ближней инфракрасной области обнаруживается специальными фотографическими эмульсиями (чувствительными в области до л = 1 мкм), фотоэлементами с внешним фотоэффектом, а также фоторезисторами и фотодиодами. В средней инфракрасной области инфракрасное излучение обнаруживается тепловыми приемниками, фоторезисторами и фотодиодами. В дальней инфракрасной области для обнаружения излучения применяются в основном тепловые приемники. Спектр излучения черного тела можно рассчитать в соответствии с законом Планка:
dR (л, T)/dл= 2 рhc2 л-5/[exp (hc/ лkT) – 1] Bт/м3
Здесь dR (л, T)/dл – спектральная поверхностная плотность потока излучения, т.е. мощность излучения, испускаемого единицей поверхности черного тела в единичном интервале длин волн; h = 6, 6256*10-34 Дж*с, или Вт*с2 – постоянная Планка; к = 1, 38054*10-23 Дж/К – постоянная Больцмана; с =2, 998* 108 м/с – скорость света; Т – абсолютная температура черного тела в Кельвинах. Спектральная плотность потока излучения черного тела зависит от длины волны и от температуры. Удобно представить закон Планка в форме семейства кривых:
dR (л, T)/dл=fт(л)
Кривая спектрального распределения величины dR (л, T)/d л при заданном значении температуры T проходит через максимум. Смещение максимума в функции температуры описывается законом смешения Вина, который получают дифференцированием закона Планка:
л макс= 2898/ Т мкм, dR(л макс T)/dл= 1, 286*10-15Т5 Вт/см2*мкм
где температура Т выражена в Кельвинах. Следовательно, объект при температуре окружающей среды Т = 290 К имеет максимум спектральной плотности потока излучения при л макс=10 мкм, в то время как Солнце, эффективная (кажущаяся) температура которого ~ 6000 К, имеет максимум при л макс=0, 5 мкм. Заметим, что жидкий азот (Т = 77К) имеет максимум при л макс=38 мкм. Закон смещения Вина наглядно объясняет сдвиг в сторону коротких волн максимума (видимого или невидимого) излучения тел по мере их нагрева. Закон, получаемый интегрированием закона Планка по л в пределах от нуля до бесконечности называется законом Стефана – Больцмана. Он определяет интегральную плотность (мощность) потока излучения черного тела при температуре Т:
RT=уT4 у=2р5k4/15c2h3=5, 67*1012 Вт/(см2*К4)=5, 67*108 Вт(м2*К4) – постоянная Стефана – Больцмана.
Рис. 1.1 Спектральное распределение поверхностной плотности потока излучения различных источников: 1 – Солнце, Т – 6000 К; 2 – излучение черного тела при температуре окружающей среды Т – 290 К; 3 – излучение черного тела при температуре Т=77 К
Физически RТ представляет собой площадь под кривой dR (л, T)/d л=fT(л). Если закон планка проинтегрировать по диапазону длин волн ла – лb, то мы получим мощность излучения черного тела в этом диапазоне при температуре Т:
где ла – нижняя граница диапазона, лb – верхняя граница.
Рис. 1.2. Поверхностная плотность потока излучения в спектральной полосе
Рабочий диапазон температур Тепловизионные системы контроля кризисных ситуаций в мегаполисе предназначены для наблюдения панорамы городской застройки, при колебаниях температуры окружающей среды в пределах от -40 до +400С (233ч3130К). При этом в зоне кризисной ситуации температура, как правило, не превышает температуру окружающей среды более чем на 2000С и не ниже ее более чем на 500С. При этом, в какой либо зоне, колебания температуры могут быть и выше и ниже указанных значений, но для определения их чрезвычайного характера такого запаса более чем достаточно. Так, например, нагрев стены здания на 100С выше температуры окружающей среды уже дает повод для изучения ситуации в этой точке панорамы. Поэтому чувствительность канала к разнице температур (температурный контраст) должна быть не хуже 50С, т.е. с двукратным запасом на помехи, налагаемые атмосферой. По тем же соображениям для обнаружения зон КС достаточно погрешности измерения температуры 50С. Соответственно диапазон рабочих температур для системы контроля кризисных ситуаций в условиях мегаполиса от -50 до +2400С (223ч5130К), максимальная спектральная плотность потока излучения соответствует диапазону длин волн лмакс ≈ от 13 до 5, 6 мкм.
Пространственное разрешение Исходя из конфигурации АСДМ «Лидар», частью которой является СП-2, диапазон дальности его действия составляет 0, 5ч12 км, этому же требованию должна соответствовать и ТепСКО. При этом тепловизионная система наблюдает панораму городской застройки, на которой необходимо выделять зоны или тела с аномальной температурой, это могут быть стены зданий, выбросы дыма и пара, а также открытое пламя. Размеры таких объектов, как правило, не менее 20х20 м, однако могут сильно отличаться в начальной и конечной стадии своего развития. Например, по мере разгорания пожара увеличивается его площадь, а шлейф выбрасываемого дыма может значительно превышать по площади 50х50 м. В условиях мегаполиса большинство удаленных строений перекрыты городской застройкой, поэтому КС на дальности 8 – 12 км, в большинстве случаев, возможно зарегистрировать только по выбросам нагретых аэрозолей. Исходя из этого, системе, для уверенного обнаружения КС, достаточно различать на расстоянии 12 км объекты размером 50х50 м, что соответствует мгновенному полю зрения около 4 мрад. Это позволит различать на 8 км объекты минимальным размером 25х25 м. Поэтому в тепловизионном канале СП-1 необходимо использовать тепловизионную камеру с мгновенным полем зрения < 4 мрад.
Для системы тепловизионного мониторинга КС возможно использование как диапазона 3ч5 мкм, так и диапазона 8ч12 мкм. Диапазон 3ч5 мкм позволяет наблюдать слабоконтрастные объекты, что необходимо при ведении мониторинга, также помимо лучшего температурного контраста, на этот диапазон приходится максимум спектра излучения факела пламени и большинства строительных материалов. А диапазон 8ч12 мкм более выгоден на длинных дистанциях и соответствует наблюдаемому диапазону температур. Поэтому оптимальным решением для задач мониторинга является использование двух диапазонов одновременно, что позволит совместить их преимущества и сгладить недостатки. 1.3. Состояние рынка тепловизионных камер
Постановка задачи
Тепловизионная система кругового обзора (ТепСКО) СП-1
Постановка задачи Согласно техническому заданию разработать тепловизионный канал анализа КС/ЧС для стационарного поста СП-1 АСДМ «Лидар». Тепловизионный канал должен включать в себя: – тепловизионную камеру, имеющую окно спектральной чувствительности в диапазоне 3ч5 мкм или 8ч12 мкм; – сканирующее устройство; – персональный компьютер на рабочем месте оператора со специальным программным обеспечением. При разработке необходимо учесть возможность модернизации системы с заменой отдельных узлов или без таковой. А также проанализировать возможность доработки системы до полностью автоматической. Т.е. возможность ввода изображения в программу «Alarm» для автоматического распознавания зон КС.
Тепловизор «ИРТИС-2000»
Функциональная схема канала Для защиты от воздействий внешней среды тепловизионная камера «ИРТИС-2000» должна быть помещена гермобокс. Возможность сканирования различных секторов панорамы обеспечивается установкой гермобокса с тепловизором внутри на опорную поворотную площадку ОСН СП-1. Питание, 6 вольт постоянного тока, тепловизионной камеры обеспечивает блок установленный на СП-1 в составе блока питания СП-1. Для подвода питания к камере используется переходник, изготовленный из аккумулятора от бытовой видеокамеры. Управление питанием тепловизионной камеры осуществляется с ПЭВМ ВУК СП-1. Тепловизионная камера соединена с процессорным блоком тепловизора посредством сетевого кабеля UTP kat.5, в котором установлена сетевая карта, поддерживающая интерфейс Ethernet 10BST. Для связи с тепловизором и обработки поступающей от него информации в процессорный блок установлено ПМО входящие в комплект «ИРТИС-2000» – программа «ScanIR». Эта программа обеспечивает визуализацию и запись тепловизионных кадров. Для ввода тепловизионного изображения в программу «Alarm» необходим аналоговый сигнал в PAL формате, что обусловлено техническим решением, примененным в СП-1. Для ввода сигнала от камер СП-1 используется карта FS5 фирмы Flystreem имеющая 16 аналоговых видеовходов и осуществляющая в режиме обнаружения КС последовательное переключение между ними (мультиплексирование). Сигнал с карты FS5 поступает на черно-белую карту RT-822, которая производит его оцифровку и передачу в программу «Alarm». Карта FS5 не имеет цифрового входа. Вывод тепловизионного изображения в PAL формате для отображения на TV мониторе, а также ввода в программу «Alarm» для автоматического обнаружения КС, производится с видеокарты «ASUS V9520» установленной в процессорный блок тепловизора и оборудованной специальным видеовыходом. Выбор видеокарты «ASUS V9520» обусловлен высоким быстродействием примененного процессора фирмы Nvidia и высоким качеством цифро-аналогового преобразователя. Что обеспечивает минимальные потери в качестве получаемого TV сигнала. Программа «ScanIR» была доработана производителем для отображения только тепловизионного изображения без полей настройки и шкалы температур. Функциональная схема тепловизионного канала СП-1 представленна на рисунке 2.4.
Рис. 2.4 Функциональная схема тепловизионного канала СП-1
Поле зрения тепловизионной камеры совпадает с полем зрения визирующей камеры СП-1 (при соответствующей установке трансфокатора последней), что облегчает наведение на заданный сектор панорамы. Это достигается за счет общего угломестного привода, и установкой обеих камер на ОСН. Помимо того, для более точного совмещения, кронштейны обеих камер имеют возможность менять свое положение относительно системы приводов. Гермобокс тепловизионной камеры представляет собой изолированную камеру с иллюминатором, из тонкого пленочного материала, прозрачного для ИК-волн в диапазоне 3ч5 мкм. В гермобоксе для поддержания микроклимата находится система климат-контроля включающая: температурный датчик, осушитель, вентилятор продувки внутреннего пространства, а также нагревательный элемент. Регулировка микроклимата производится автоматически, в результате чего внутри объема поддерживаются температура и влажность, предусмотренные режимом нормального функционирования тепловизионной камеры, в соответствии с паспортом тепловизора. Конструкция гермобокса обеспечивает подвод питания и интерфейсного кабеля к тепловизионной камере без нарушения герметичности. Тепловизор «Скат»
Заключение
Разработанный в данной дипломной работе тепловизионный канал СП-1 АСДМ «Лидар» представляет собой современный технический продукт, полностью отвечающий задачам мониторинга КС. В ходе работы над дипломным проектом были проведены эксперименты, в ходе которых выявлены явные преимущества и недостатки каждого тепловизора. Сопоставив их, была выбрана тепловизионная камера «Скат», удовлетворяющая условиям всех задач мониторинга. Высокая надежность, длительное время непрерывной работы, всепогодность, возможность снимать контрастные тепловые изображения днём и ночью при различной МДВ, делают тепловизор «Скат» незаменимым инструментом мониторинга. Программа MIM Visualizer позволяет строить сечения тепловых изображений «Ската» с целью визуализации профилей интенсивности теплового излучения от наблюдаемого объекта. Сочетание выбранного тепловизора и описанного программного обеспечения гарантирует надежную и безотказную работу тепловизионного канала в течение всего срока службы. Также в данной дипломной работе проведены организация и планирование работ по теме, составлена смета затрат на тему, дана экономическая оценка результатов проведённой работы. В ходе работ над дипломным проектом спроектированы оптимальные условия труда инженера-разработчика.
Список использованной литературы 1. Ж. Госсорг. Инфракрасная термография. Основы, техника, применение. Москва, «Мир» 1988 г. 2. Л.З. Криксунов. Справочник по основам инфракрасной техники. Москва, «Советское радио» 1978 г. 3. В.П. Вавилов, А.Н. Александров. Инфракрасная термографическая диагностика в строительстве и энергетике. Москва, НТФ «Энергопрогресс», «Энергетик» 2003 г. 4. Методические указания по Организационно-экономической части дипломных проектов. 1990 г. 5. Методические указания по дипломному проектированию раздела Охрана труда и окружающей среды. 1980 г. 6. B.C. Розанов, А.В. Рязанов. Безопасность жизнедеятельности. 1994 г. 7. ГОСТ 12.2.032–78 ССБТ, СанПиН 2.2.2.542–96.
Введение
При высокой плотности населения и промышленных предприятий в современных мегаполисах резко возрастает опасность массового поражения людей при неизбежно возникающих чрезвычайных ситуациях и экологических катастрофах (пожарах, взрывах с выделением ядовитых веществ, загрязнение атмосферы транспортом, промышленными предприятиями и др.). В полной мере это относится к Москве, с тем отличием, что большой износ промышленного оборудования во много раз увеличивает вероятность возникновения кризисных (КС) и чрезвычайных ситуаций (ЧС). В связи с этим резко возрастает роль структур, занимающихся мониторингом и прогнозированием КС и ЧС. В механизме управления городским хозяйством особую роль играют системы оперативного предупреждения о чрезвычайных ситуациях: пожарах, взрывах, химических выбросах, экологических катастрофах и т.д. Как правило, подобные узкопрофессиональные системы предупреждения могут охватывать отдельные помещения, здания, районы города или весь город целиком. Задачи, решаемые подобными системами, во многом схожи. В дипломной работе проводится разработка тепловизионного канала СП-1 АСДМ «Лидар» и его экспериментальное исследование на соответствие задачам мониторинга КС. Автоматическая система дистанционного мониторинга «Лидар» предназначена для обнаружения кризисных и чрезвычайных ситуаций в городе Москва, одним из показателей которых является аварийный аэрозольный выброс в атмосферный воздух. Стационарный пост 1 (СП-1) работает в режиме круглосуточного оперативного мониторинга КС. Согласно концепции системы, планируется установка трёх СП с зоной охвата 10–12 км каждый, что позволит охватить всю территорию Москвы. СП-2, второй пост системы АСДМ «Лидар», является эволюционным продолжением СП-1. Совокупность решений, применённых в СП-1 и СП-2, послужат базой для разработки СП-3 – полностью автоматического поста. Тепловизионный канал в составе АСДМ «Лидар» предназначен для ведения мониторинга в сложных метеорологических условиях, когда обычные камеры не позволяют вести наблюдение. В составе СП-1 тепловизионный канал убедительно доказал свою эффективность, позволяя отчётливо различать как шлейфы дыма, так и нагретые тела на фоне городской застройки.
Тепловизионные приборы и системы для задач мониторинга кризисных ситуаций в мегаполисе
В этой части дипломного проекта рассмотрены принципы построения тепловизионных систем мониторинга КС, выделены основные задачи систем такого рода. Проанализировано состояние современного уровня техники. Также были выдвинуты требования к тепловизионной системе СП-1, на основе которых сформулировано техническое задание.
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Последнее изменение этой страницы: 2020-02-16; Просмотров: 166; Нарушение авторского права страницы
