Адаптивний спосіб визначення часу доби для застосування тепловізора

Реферат: Адаптивний спосіб визначення часу доби для застосування тепловізора, у складі якого об'єкт, що становить інтерес, і фон, за якими для визначення часу доби при застосуванні тепловізора проводять натурний експеримент по визначенню зміни температури об'єкта і фону протягом доби, за отриманими експериментальними даними будують графік залежності температури об'єкта і фону від часу доби та знаходять інтервали часу, коли різниця між температурою об'єкта і фону максимальна, після чого застосовують тепловізор у визначені часові інтервали та отримують найбільш прийнятне тепловізійне зображення. Визначають зміни температури об'єкта і фону на день застосування тепловізора розраховують на основі математичної моделі, в навколишньому середовищі основними видами теплообміну є конвективний та радіаційний, визначають теплофізичні, географічні, геометричні, інерційні та масогабаритні параметри об'єкта і фону. Аналітично розраховують значення їх температури для кожної години, будують графік прогнозної зміни температури та визначають час доби для застосування тепловізора. UA 122336 U (12) UA 122336 U UA 122336 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до напрямку виявлення об'єкта інтересу в інфрачервоному (ІЧ) діапазоні, зокрема до способів попереднього вибору умов використання тепловізора з метою визначення часу його застосування. Для добування видової інформації в ІЧ діапазоні використовуються дані тепловізорів. Отримана інформація застосовується в картографії, геологорозвідці, сільському господарстві, правоохоронній і військовій сфері, медицині, промисловому виробництві, екології, під час техногенних і природних катаклізмів (катастроф). Проте, під час застосування тепловізора необхідно враховувати особливості його роботи. До таких особливостей належать: процедури виявлення об'єктів, що базуються на аналізі перепадів яскравості (контрасту "об'єкт-фон"), не гарантують можливості надійно виявляти об'єкт на фоні [1-3]; вплив теплообмінних процесів в навколишньому середовищі, що призводить до зміни температури об'єкта і фону протягом доби, а відповідно і їх енергетичних світностей. Як наслідок, в деякий час доби розпізнавання об'єкта здійснюється більш успішно, а в інший - менш успішно. Тому, актуальною є задача визначення часу застосування тепловізора, насамперед, за рахунок врахування впливу теплообмінних процесів навколишнього середовища протягом доби. Відомо багато способів виявлення об'єктів за допомогою тепловізора [2-7]. Всі вони базуються на тому положенні, що об'єкт та фон мають різну температуру, і, як наслідок, різну енергетичну світність. Розрізняючи відмінності в енергетичних світностях об'єктів на дисплеї тепловізора, можна виявляти їх на фоні. Конкретні технічні рішення щодо способу, який пропонується, містяться в патентах [4, 5]. У способі, що описаний в патенті [4], пропонується розпізнавання об'єктів за допомогою тепловізора. Даний спосіб включає наступні п'ять етапів: 1. Калібрування засобу вимірювальної техніки (тепловізора). 2. Отримання зображень місцевості. 3. Проведення порівняльного аналізу отриманих зображень. 4. Виділення ділянок зображення з різною енергетичною світністю. 5. Створення кінцевого узагальненого зображення місцевості. На першому етапі проводиться калібрування засобу вимірювальної техніки (тепловізора) сукупність операцій, що виконуються з метою визначення метрологічних характеристик та придатності засобу вимірювальної техніки до застосування в певних умовах [6]. Другий етап отримання зображень однієї сцени в інфрачервоному та видимому діапазоні у різні інтервали часу. На третьому етапі відбувається порівняння значень яскравості тепловізійних зображень, отриманих в різні часові інтервали. Виділення ділянок зображення, що мають різну енергетичну світність, шляхом алгебраїчного віднімання значень яскравості відповідних пікселів першого і другого зображення, є четвертим етапом. Останній, п'ятий етап, складається з накладання виділених ділянок зображення в ІЧ спектрі на відповідні ділянки у видимому діапазоні для отримання кінцевого узагальненого зображення місцевості. Головна перевага даного способу полягає в тому, що він не потребує додаткових даних, окрім наявності власне самих зображень місцевості. Хоча йому притаманні наступні недоліки: - виявлення об'єкта унеможливлюється у випадку, коли на проміжку часу між отриманням першого і другого зображень його енергетична світність близька до фонової; - не враховується час доби, який впливає на швидкість зміни температури об'єкта. Даний спосіб можна розглядати як аналог способу, що пропонується. Вищеперераховані недоліки усуваються в способі, описаному в патенті [5]. Цей спосіб достатньо простий і ефективний та може розглядатися як прототип способу, що пропонується. Спосіб-прототип полягає у проведенні наступних етапів: 1. Вибір об'єкта інтересу. 2. Визначення даних про зміну атмосферного стану в день, коли необхідно застосовувати тепловізор. 3. Узагальнення інформації про теплофізичні, географічні, геометричні і масо-габаритні параметри об'єкта і фону та вибір дня застосування тепловізора. 4. Знаходження температури об'єкта і фону за допомогою використання математичної моделі; 5. Побудова графіку прогнозної залежності температури об'єкта і фону від часу доби; 6. Вибір інтервалів часу доби для застосування тепловізора; 7. Калібрування засобу вимірювальної техніки (тепловізора); 8. Оцінювання результатів проведеного калібрування; 9. Застосування тепловізора. На першому етапі визначається день застосування тепловізора. Другий етап - за допомогою інформаційних ресурсів уточнюється прогноз погоди. Третій етап передбачає знаходження 1 UA 122336 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 об'єму речовини з якого складається об'єкт (фон), коефіцієнта поглинання теплового випромінення, площі бічних поверхонь, коефіцієнтів теплопровідності, теплообміну та температуропровідності. Розрахунок погодинної зміни температури об'єкта і фону за допомогою математичної моделі складає четвертий етап. На п'ятому етапі будується графік прогнозної залежності розрахункових значень температури об'єкта і фону від часу доби. Шостий етап прийняття рішень про вибір інтервалів часу доби. Калібрування тепловізора складає сьомий етап. Восьмий етап передбачає оцінювання результатів проведеного калібрування. На останньому, дев'ятому етапі, відбувається застосування тепловізора у вибрані інтервали часу доби. Перевагою способу-прототипу є те, що він дозволяє враховувати теплофізичні властивості об'єкта, але має два суттєвих недоліки: - не враховує інерційні властивості об'єкта і фону; - час досягнення максимальних і мінімальних значень температури відрізняється від аналогічного показника експериментальних досліджень. В основу корисної моделі поставлена задача створення способу, який би дозволяв визначати час застосування тепловізора з врахуванням теплообмінних процесів в навколишньому середовищі на основі використання математичної моделі, тим самим забезпечивши можливість прогнозування часу доби за короткий проміжок часу для будь-яких комбінацій "об'єкт-фон". Поставлена задача вирішується тим, що в способі визначення часу доби для застосування тепловізора (фіг. 1), який включає вибір об'єкта і фону, відбувається визначення об'єкта і фону відносно яких буде проводитись тепловізійне спостереження (блок 1). Далі проводиться збір основних даних, що дозволяє узагальнити існуючу інформацію про об'єкт, фон та умови в яких вони будуть знаходитись в день використання тепловізора (блок 2). Даний етап складається з дев'яти кроків. На першому кроці визначаються умови в яких знаходиться об'єкт і фон (блок 3), таких умов дві: перша - коли об'єкт і фон протягом доби знаходяться на відкритій місцевості, зазнаючи впливу радіаційного випромінення Сонця; друга - коли вони перебувають у тіні чи в приміщенні. Другий крок - зазначається речовина з якої складається об'єкт і фон (блок 4). Наступний третій крок полягає у визначенні з довідкової літератури чи мережі Internet теплофізичних властивостей речовини об'єкта і фону (блок 5). Після цього передбачається знаходження геометричних розмірів об'єкта, при цьому вважається, що розміри фону становлять 1×1×0,05 м (довжина, ширина і висота) (блок 6) - крок чотири. Далі розраховується площа поверхні об'єкта, що бере участь в конвективному та радіаційному теплообміні (блок 7). Обирається день використання тепловізора (блок 8). Відповідно до прогнозу погоди на день використання тепловізора визначається час, коли температура середовища має досягти максимального значення, ступінь хмарності, діапазон в якому буде змінюватись температура середовища, вологість повітря, наявність опадів (блок 9). Відповідно до вологості повітря та наявності опадів визначається коефіцієнт теплопередавання , з розрахунку: вологість повітря 2 2 0-50 % =5…15 Вт/(м ·К); вологість повітря 51-100 % =15…100 Вт/(м ·К); при опадах (дощ, 2 мокрий сніг, іній і т.п.) =100…1200 Вт/(м ·К) (блок 10). На останньому кроці визнається географічна широта розташування об'єкта і фону (блок 11). Якщо в результаті збору основних даних, вони зібрані не в повному обсязі, то проводиться черговий цикл збору і так далі, доти, поки не будуть визначені всі дані про об'єкт і фон (блок 12). За допомогою математичної моделі, що представлена виразом (1) розраховується погодинна зміна температури об'єкта і фону, на основі чого будується графічна залежність температури об'єкта і фону відносно часу доби (блок 13):  P  sin'Gt     R sin'Gt     H  , (1)   2 P2  1  P 1  де T - температура об'єкта, Κ; Tcp - середня температура навколишнього середовища протягом доби, Κ. Tc - різниця між максимальним і мінімальним значеннями температури навколишнього середовища, Κ t - час перебування об'єкта під впливом теплообмінних процесів, с. В рівнянні (1) введені наступні позначки: Spc qc атм Yc sin  3k n Sк , A* , t n  t c  t км  1 ,    arcsin , '  , А*  P R 2 t сд Sк G сV P 1 T  Tcp  0,5Tc 50 P 2 UA 122336 U 0,5Tc Sк , * Spc qc атм Yc sin  3k п , * Spc qc атм Yc sin  3k n sin  5k ш , E  N  cV сV сV t n  t c  t кк  ,  і H  k ш sin  5 , '  G t сд t cд де  - коефіцієнт поглинання теплового випромінення об'єкта; S к , S p - площа поверхні об'єкта, яка приймає участь у конвективному і радіаційному B*  5 10 15 20 2 теплообміні відповідно, м ; 2 q c - сонячна постійна, ( qc  1366 ) Вт/м ; атм - коефіцієнт пропускання атмосфери [8]; Yc - умова наявності Сонця (0 - при відсутності, 1 - при наявності);  3 - кут максимальної висоти Сонця над горизонтом для визначеної географічної широти місцезнаходження об'єкта (фону), град [9];  4 - кут, що враховує обертання Землі навколо своєї осі, град;  5 - кут, що враховує обертання Землі навколо Сонця, град; k ш - поправочний коефіцієнт для широти місцезнаходження об'єкта; k п - поправочний коефіцієнт для обертання Землі навколо своєї осі; с - питома теплоємність об'єкта (фону), Дж/(кгК); 3  - густина речовини, з якого виготовлено об'єкта (фон), кг/м ; 3 V - об'єм об'єкта, м ; Tc - температура навколишнього середовища, Κ; t n - час початку теплообмінного процесу, с; 3 t c - час сходу Сонця (tc=6-3,6-10 ), с; t cд - довжина світлового дня ( t cд  12  3,6  10 3 ), с. Час кореляції t кк визначається за допомогою рівняння:  25 30  t кк  3,6  10 3 t ск max  12 , (2) де t ск max - час досягнення максимального значення температури середовища відповідно до прогнозу погоди, с Для знаходження γз використовується наступне рівняння:  3  90     (3) де  - значення географічної широти, град. Кут  записується вигляді синусоїдального рівняння:  360 d  81 , (4)   23,45  sin   365  де d - порядковий номер дня року (1 січня - d  1). Кут  4 визначає зміну радіаційного випромінення Сонця протягом доби та становить: t n  t  t c  t км  , (5) t сд де t км - час корекції місцевий, с 4  35 40 Час корекції t км враховує фактичний місцевий час (літній або зимовий). Він знаходиться за допомогою рівняння: t км  3,6  10 3 t рк max  12  , (6) де t рк max - час коли Сонце перебуває у зеніті, с Кут  5 визначає довжину світлої частини доби в залежності від пори року, та розраховується наступним чином: 9  m , (7) 5   6 де m - порядковий номер місяця року. Коефіцієнт k п визначається за допомогою рівняння: 3 UA 122336 U 1 . (8) 1  k ш sin  5 Поправочний коефіцієнт k ш рахується додатним, якщо об'єкт (фон) знаходиться в північній півкулі, та від'ємним в південній півкулі. Він визначається відповідно до табл. 1. Після побудови графічної залежності приймається рішення про вибір часу доби, коли значення температури об'єкта і фону максимально відрізняється між собою (блок 14). Наступний етап складається з калібрування засобу вимірювальної техніки (тепловізора) та являє собою сукупності операцій, що виконуються з метою визначення метрологічних характеристик та придатності засобу вимірювальної техніки до застосування у визначених умовах [6]. kп  5 10 Таблиця 1 Значення коефіцієнта k ш Значення коефіцієнта k ш 0,8 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Північна широта, град 60 50 40 30 20 10 0 15 20 25 30 35 40 45 При цьому передбачається, що калібрування тепловізора проводиться відповідно до вимог інструкцій щодо його використання (блок 15). Якщо в результаті калібрування еталонні температурні показники тепловізора не відповідатимуть наведеним в інструкції по експлуатації, то проводиться черговий цикл калібрування й так далі, доти, поки не будуть досягнуті необхідні показники (блок 16). Далі відбувається застосування тепловізора у визначений час доби (блок 17), та отримання найбільш прийнятного тепловізійного зображення (блок 18). Визначення часу застосування тепловізора забезпечується за рахунок того, що проводиться розрахунок зміни температури об'єкта і фону за допомогою математичної моделі напередодні застосування тепловізора, за якою в навколишньому середовищі основними видами теплообміну є конвективний та радіаційний, визначають теплофізичні, географічні, геометричні, інерційні та масогабаритні параметри об'єкта і фону, після чого аналітично розраховують значення їх температури для кожної години, будують графік прогнозної зміни температури та визначають час доби для застосування тепловізора. Суть корисної моделі пояснює креслення. На фіг. 1 представлено зміст та схему виконання етапів, які складають пропонований спосіб, а саме: 1 - вибір об'єкта інтересу і фону; 2 - збір основних даних про об'єкт (фон); 3 - визначення умов в яких знаходиться об'єкт (фон); 4 - визначення речовини в якій складається об'єкт (фон); 5 - визначення теплофізичних властивостей об'єкта (фону); 6 - знаходження геометричних розмірів об'єкта; 7 - розрахунок площі об'єкта, що приймає участь в конвективному і радіаційному теплообміні; 8 - вибір дня застосування тепловізора; 9 - врахування прогнозу погоди; 10 - вибір коефіцієнта теплопередавання об'єкта (фону); 11 - визначення географічної широти розташування об'єкта (фону); 12 - перевірка наявності всіх необхідних даних; 13 - використання математичної моделі та побудова графічних залежностей; 14 - вибір часу доби для застосування тепловізора; 15 - калібрування тепловізора; 16 - оцінювання результатів проведеного калібрування; 4 UA 122336 U 5 17 - застосування тепловізора; 18 - отримання найбільш прийнятного тепловізійного зображення. З метою перевірки запропонованого способу проведено натурний експеримент по визначенню зміни температури об'єкта і фону при аналогічних умовах. Розрахунки зміни температури об'єктів за математичною моделлю графічно відображені на фіг. 2. Дні застосування тепловізора - 13-14 серпня 2013 року. Дані для розрахунків отримані з джерел [17] та мережі Internet наведені в табл. 2. Таблиця 2 Значення фізичних величин № з/п Фізичні величини 1. Tcp , к 2. Tc , к tn , с 3. 3 9:00 13.08.2013 пo 9:00 14.08.2013 Об'єкт Фон 295 295 12 12 9·3,6·10 3 9·3,6·10 3 6·3,6·10 3 6·3,6·10 3 5. tc , с t ск max , с 14·3,6·10 3 14·3,6·10 3 6. t cд , с 12·3,6·10 3 12·3,6·10 3 7. 8. 9. Sк , м  2 Spc , м 10. 4. 2 -3 20 25 q c , Bт/м 1366 1366 атм 0,745 0,745 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 15 1 0,95 0,05 11. 10 9,8·10 0,95 0,0059 Yc  , град d 2  , Вт/(м ·К) c , Дж/(кг·К) 3  , кг/м 0 50,5 225 9 880 6030 -6 4,61·10 3 1·3,6·10 8 0,5 0 50,5 225 11 1100 1250 0,05 3 1·3,6·10 8 0,5 2 3 V, м t рк max , с m kш На фіг. 2 видно, що для застосування тепловізора необхідно вибирати час з 9:00 до 17:00 години дня, коли різниця між температурою об'єкта і фону максимально відрізняється. Відповідно до фіг. 2 і 3 максимальні значення температури об'єкта досягаються о 16:00 годині, температури фону о 16:00 та 17:00. Також особливістю математичної моделі є те, що амплітуда зміни температури об'єкта і фону знаходяться в межах 288…302 Κ, що відповіщає експериментальним даним. Графічна залежність, що зображена на фіг. 2 вказує на наявність протягом доби інерційного здвигу між температурами об'єкта і фону. Також існує час доби, коли різниця між температурою об'єкта і фону практично відсутня, що призводить до неможливості застосування тепловізора. У зв'язку з наявністю достатньої відмінності між температурою об'єкта і фону тепловізійне спостереження 13 серпня 2013 року необхідно було проводити в інтервал часу з 9:00 до 16:00 години дня. Отримані результати підтверджують, що запропонований спосіб дозволяє усунути недоліки способу-прототипу. По-перше, математична модель запропонованого способу дозволяє проводити розрахунки для будь-яких об'єктів, враховуючи їх теплофізичні, географічні, геометричні, інерційні і масогабаритні параметри та вплив теплообмінних процесів в навколишньому середовищі. 5 UA 122336 U 5 10 15 20 25 30 По-друге, результати розрахунків часу досягнення максимального значення температури об'єкта і фону відрізняються від експериментальних даних тільки на одну годину, коли для способу-прототипу вони завжди знаходяться в 12:00 годині. Крім того, використання запропонованого способу дозволяє визначати час доби, коли застосування тепловізора неможливе. Джерела інформації: 1. Ребрин Ю.К. Инфракрасные иконические системы: [підруч. для студ. вищ. навч. закл.] / Ребрин Ю.К. - К.: КВВАИУ, 1985. - 86 с 2. Госсорг Жильбер. Инфракрасная термография. Основы, техника, применение / Жильбер Госсорг; [пер. с франц. Н.В. Васильченко]. - М.: Мир, 1988. - 416 с. 3. Джордж Ллойд. Системы тепловидения / Джордж Ллойд; [пер. с англ. Н.В. Васильченко]. М.: Мир, 1978. - 414 с. 4. Patent № 8,212,210 United States, International Classes: G01J 5/00. IR camera and method for presenting IR information / Hargel, Martin-Publication Date: 03/07/2012. 5. Пат. 107170 Україна, МПК (2014.01) G01J 5/00. Спосіб підвищення ефективності застосування тепловізору / Слонов М.Ю., Марилів О.О., Топольницький М.В., Пилипчук В.В., Марилів О.О.; заявник і патентовласник Слонов М.Ю., Марилів О.О., Топольницький М.В., Пилипчук В.В., Марилів О.О. - № а201314552; заявл. 12.12.2013; опубл. 25.11.2014, Бюл. № 22. - 7 с. 6. Метрологія. Терміни та визначення: ДСТУ.2681-94. - [Чинний від 1994.07.27]. - К.: Держстандарт України 1994. - 68 с. - (Національні стандарти України). 7. Дмитрієв М.М. Визначення крайових умов на поверхні аеродромного покриття для постановки завдання моделювання його теплового поля / М.М. Дмитрієв, О.М. Панченко, О.Б. Деркачов, І.А. Рутковська // Вісник національного авіаційного університету, 2008. - № 1. - С. 161164. 8. Приложение 3 к конвенции о международной гражданской авиации. Метеорологическое обеспечение международной аэронавигации. - 2011. 520 с. - (Международные стандарты и рекомендуемая практика; изд. 17). 9. Наземное солнечное излучение [Електронний ресурс] - Режим доступу: http://ust.su/solar/media/section-inner12/637/. Энергосистемы, 2012. - Назва з екрану. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 40 45 Адаптивний спосіб визначення часу доби для застосування тепловізора, у складі якого об'єкт, що становить інтерес, і фон, за якими для визначення часу доби при застосуванні тепловізора проводять натурний експеримент по визначенню зміни температури об'єкта і фону протягом доби, за отриманими експериментальними даними будують графік залежності температури об'єкта і фону від часу доби та знаходять інтервали часу, коли різниця між температурою об'єкта і фону максимальна, після чого застосовують тепловізор у визначені часові інтервали та отримують найбільш прийнятне тепловізійне зображення, який відрізняється тим, що визначення зміни температури об'єкта і фону на день застосування тепловізора розраховують на основі математичної моделі, за якою в навколишньому середовищі основними видами теплообміну є конвективний та радіаційний, визначають теплофізичні, географічні, геометричні, інерційні та масогабаритні параметри об'єкта і фону, після чого аналітично розраховують значення їх температури для кожної години, будують графік прогнозної зміни температури та визначають час доби для застосування тепловізора. 6 UA 122336 U 7 UA 122336 U Комп’ютерна верстка А. Крулевський Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8