В методах самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) материалов, основанных на процессах твердопламенного безгазового горения [1],  большая часть физико-химических параметров реакции может быть определена по температуре и скорости горения [2]. Особенности неустойчивых режимов горения в виде специфической “дискретной микроструктуры” волны  определяют как макрокинетику реакции, так и свойства конечного продукта [3].  Эта зависимость открывает  возможность программирования свойств синтезируемых материалов [4]. Однако изменчивость исходных порошков и шихты  в процессе изготовления, хранения и сжигания ведет к снижению эффективности такой программной технологии [ 5].

Измерение параметров горения в процессе получения материала позволяет установить их взаимосвязь как со  свойствами конечного продукта, так и со свойствами шихты (рис. 1) [6]. Причем первая взаимосвязь дает возможность контролировать создаваемый материал, а вторая – управлять процессом синтеза так, чтобы получить материал с заданными свойствами с учетом фактического состояния шихты. Например, контроль параметров горения тестового образца позволит изменить начальную температуру основной заготовки так, чтобы свойства изготовляемого материала не изменились в следствие частичной деактивации порошков шихты.

Рис. 1. Взаимосвязь параметров и свойств технологии СВС материалов

Скоротечность и высокая температура процесса СВС не оставляют альтернативы оптическим методам измерения и контроля, среди которых наиболее чувствительным является метод яркостной пирометрии [7, 8]. Быстродействующие тепловизионные системы на его основе позволяют регистрировать динамику температурного поля на поверхности синтезируемого материала [9]. Сделать выводы о параметрах структурной макрокинетики реакции можно только после обработки этой первичной информации [10]. Таким образом, система контроля процесса СВС материалов должна включать как быстродействующие средства сбора данных, так и методику их интерпретации [11, 12].

Цель работы – создание системы контроля скорости, характерного  размера  и температуры  волны самораспространяющегося высокотемпературного  синтеза материалов. Для достижения цели решались следующие задачи:

• построение и калибровка тепловизионной системы на базе “ВидеоСпринт”;
• реализация в среде MATLAB методики определения скорости, характерного  размера  и температуры  волны синтеза материала;
• выявление зависимости определяемых параметров процесса СВС к изменению плотности и начальной температуры шихты со стехиометрией NiAl.

Применение камеры технического зрения для наблюдения за процессом СВС обуславливает огромный объем информации, методы обработки которой настолько сложны, что реализовать их аппаратно в физическом устройстве очень трудно. Поэтому структура системы контроля строилась с использованием концепции виртуальных приборов, которая предусматривает взаимодействие двух модулей: сбора и обработки данных [13, 14]. В качестве модуля сбора данных использовалась высокоскоростная камера “ВидеоСпринт” (НПК “ВидеоСкан”, Россия) [15]. Для реализации модуля обработки данных выбрана среда MATLAB, обладающая мощными средствами преобразования многомерных сигналов на основе технологии параллельных вычислений [16]. Структурная схема виртуальной системы контроля приведена на рис. 2.

В процессе СВС исходные вещества и продукты находятся в конденсированной фазе. Температура в волне горения и области продуктов реакции достигает 1200 – 3000 К и существенная доля поверхностной теплоотдачи приходится на тепловое излучение в спектральном диапазоне 400-900 нм. Это позволяет использовать  оптические системы контроля для наблюдения за динамикой тепловых полей процесса синтеза материалов.

Рис. 2. Структурная схема виртуальной системы контроля

Модуль сбора данных системы контроля состоит из микроскопа МБС-10, который обеспечивает пространственное разрешение в 5,85 мкм на пиксел, полосового светофильтра SL-725-40 с центральной длиной волны 725 нм и полушириной 40 нм, а также включает камеру “ВидеоСпринт” с временным разрешением до 20 мкс на кадр и внутренней памятью 2 GBytes. В микроскопе МБС-10 использована тринокулярная насадка для организации канала запуска “ВидеоСпринт” в момент появления волны СВС в области визирования. Цифровая камера имеет специализированный интерфейс, с помощью которого осуществляется передача информации в ЭВМ по окончании процесса регистрации.

Для проведения камерой “ВидеоСпринт” тепловизионных исследований выполнена коррекция неоднородности сигнала ее сенсора и калибровка на автоматизированном стенде (рис. 3) по методике, описанной в работах [17, 18]. В результате получено пространство состояний системы контроля (рис. 4). Перед процессом регистрации фиксируется время экспозиции и на основе пространства состояний формируется температурная палитра (рис. 5) и оценка точности измерения (рис. 6).

1 – температурная лампа ТРУ-1200-2350; 2 – микроскоп МБС-10; 3 – тринокулярная насадка; 4 – световод; 5 – камера “ВидеоСпринт”; 6 – программируемый источник тока; 7 – фотодетектор контроллера синхронизации камеры “ВидеоСпринт”

Рис. 3. Автоматизированный стен для температурной калибровки системы контроля

S – относительный уровень сигнала; ε- время экспозиции; ε min- минимальное время экспозиции равное 2 мкс

 Рис. 4. Пространство состояний системы оптического контроля

Рис. 5. Температурная палитра для экспозиции 2 мс

Рис. 6. Оценка точности измерения температуры для экспозиции 2 мс

Методика обработки зарегистрированных видеоданных использует закономерности СВС в режиме стационарного горения, когда градиент температуры во фронте волны синтеза достигает величин 10⁷ - 10⁸ К/м, а область продуктов непрерывно прирастает квазипериодическими слоями [19].

Учитывая, что интенсивность светового потока перед фронтом горения ниже порога чувствительности системы оптического контроля, скорость волны СВС можно оценить по динамике линейного размера области продуктов реакции в изображениях видеоряда (рис. 7). Рассматривая скорость волны горения как случайную величину, для стационарного режима можно оценить ее математическое ожидание коэффициентом линейной регрессии зависимости координаты фронта реакции от времени, а дисперсию  - значением невязки. Причем дисперсия, в первую очередь, зависит от дискретности процесса горения, а также от пространственной неоднородности состава и параметров теплопередачи шихты.

Рис. 7. Движение фронта волны СВС

На основе первой производной динамики  фронта волны СВС в методике обработки данных строится выборка толщины слоев продукта, возникающих в области визирования образца. По ней оценивается первый и второй статистический момент, которые  являются макропараметрами системы СВС и зависят от состава, краевых условий и неоднородности шихты.

Рис. 8. Динамика формирования слоев продукта реакции СВС

По зависимости размера слоев продукта от времени (рис. 8) в методике контроля определяется динамика максимальной температуры волны СВС (рис. 9). Изменчивость этой температуры связана с вариативностью состава и  параметров теплопередачи шихты в слоях продукта, формирующихся в разные моменты времени, а также особенностями микропирометрии дискретных сред [20].

Рис. 9. Динамика максимальной температуры в волне СВС

Стационарный режим СВС должен характеризоваться константой температуры горения, которая в методике контроля оценивается средним значение максимальной температуры волны  во всех слоях образующегося продукта. При этом дисперсия температуры горения указывает на гетерогенность теплофизических параметров шихты и ее стехиометрии.

Исследования  зависимости макропараметров процесса СВС в системе Ni-Al проводились на экспериментальной установке, показанной на рисунке 10. Температура шихты изменялась от 25 до 200^оС с шагом 25 градусов. Подогрев образца выполнялся в вертикальной печи, а контроль начальной температуры осуществлялся с помощью введенной в шихту хромель-алюмелевой термопары и индикатора Protek 506. Количество градаций плотности шихты в эксперименте равнялось шести.

1 – камера “ВидеоСпринт”; 2 – светофильтр; 3 – микроскоп МБС-10; 4 – образец шихты; 5 – вертикальная печь

 Рис. 10. Экспериментальная установка

В результате проведения опытов было синтезировано 96 образцов материала (по 2 штуки для каждого набора начальных условий). Регистрация процесса СВС осуществлялась с частотой 500 кадров в секунду. Обработка тепловизионных данных велась на компьютере с процессором Intel Core I7-3930K и объемом ОЗУ 64 GB. При размере одного видеофайла около 2 GB время определения макропараметров процесса СВС: скорости фронта реакции, толщины синтезируемого слоя и температуры горения, – не превышало 20 секунд, а объем выборок был не ниже 1000 отсчетов. Аппроксимация зависимостей макропараметров процесса СВС в системе Ni-Al  приведена на рисунках 11 – 13.

Рис. 11. Зависимость скорости фронта реакции СВС в системе Ni-Al

Рис. 12. Зависимость толщины слоя  NiAl в процессе СВС

Рис. 13. Зависимость температуры горения в процессе СВС системы Ni-Al

Выводы:

1. Разработана система оптического контроля параметров процесса СВС материалов, в которой концепция виртуальных приборов позволила интегрировать установку высокоскоростной пирометрии и автоматизированный анализ тепловизионных данных.
2. Статистические оценки тепловых и структурных параметров процесса СВС построены на выборках большого объема, что способствует их устойчивости. Кроме того, этот подход позволяет выявить неоднородность шихты, которая влияет на качество изделия, создаваемого методом СВС.
3. Полученные в работе зависимости макропараметров процесса СВС устанавливают связь между состоянием шихты и характеристиками ее горения.
4. Дальнейшие материаловедческие исследования опытных образцов позволят продолжить эту связь до конечного продукта и построить систему экспресс-оценки качества горящих дисперсных смесей [21-23] и  материала, получаемого методом СВС [24].

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ (задание № 2014/505 на выполнение государственных работ в сфере научной деятельности в рамках базовой части) и при поддержке внутреннего гранта Югорского государственного университета.

Человек, научившись учитывать темперамент, особенности и других людей, и свой, тем самым поспособствует благоприятной деятельности и хорошему общению с окружающими. Благодаря такому навыку уменьшится возможность появления конфликтов и возникновения стрессовых ситуаций. [2]

Однако, тип темперамента не может существовать в чистом виде. Человек обязательно обладает чертами как минимум двух типов. [2]

Существуют четыре типа темперамента:

1. Холерик
2. Сангвиник
3. Флегматик
4. Меланхолик [2]

Следует разобраться в их характеристике и выяснить, как каждый тип влияет на поведение водителя.

Холерик. Люди, которые обладают данным типом темперамента, обычно вспыльчивые и не совсем уравновешенные. Настроение у них очень изменчивое, также могут часто проявляться вспышки гнева или чрезмерно эмоционально выражены другие чувства. Однако холерики не обладают злопамятностью, и они очень отходчивы, инициативны и энергичны, с удовольствием берутся за любую работу. Им не характерна долгая и однотипная работа, потому что она становится для них скучной. Такие люди достаточно часто не доводят начатое до конца. Вкупе, холерики – резкие, несдержанные, сильные, импульсивные, эмоциональные и ярко выраженные личности. Что касается стиля вождения. Холерикам нравится быстрая, резкая и агрессивная езда. Нервничают, когда появляются созданные кем-то или чем-то препятствия на дороге. Также им доставляет удовольствие превышение скорости. Холериков можно легко определить на дороге благодаря езде на большой скорости, особенно когда на светофоре загорается красный свет, и они резко останавливаются, чтобы пропустить пешеходов, тем самым пугая их и рядом стоящих водителей. К сожалению, холерики часто попадают в аварии. Но если научится подчинять свои чувства эмоции в процессе вождения, холерик может стать отличным водителем. [3,4,5]

Сангвиник. Это невероятно энергичный, неусидчивый, легкий на подъем человек, которому очень нравится движение. Ему свойственны быстрая реакция, эмоциональные мимика и жестикуляция. Имеются сходства с холериком, но сангвиник более уравновешенный. Безусловно готов взяться за любое дело, но отдаст на это все свои силы только если оно вызовет неподдельный интерес. Сангвиники отличаются общительностью, коммуникабельностью, быстро и легко вливаются в любой коллектив. Также они эмоциональные, но, по сравнению с холериком, его переживания не настолько глубокие. В общем, люди-сангвиники невнимательные, поверхностные, нетерпеливые, непоседливые и непостоянные. Говоря о вождении, люди-сангвиники предпочитают езду не по правилам, на большой скорости и на сложных дорогах, то есть с большим количеством перекрестков, особенно с крутыми поворотами. Также они «шахматисты», то есть постоянно перестраиваются из полосы в полосу на оживленной дороге. Поэтому неинтересная монотонная езда может их усыпить прямо за рулем. [3,4,5]

Флегматик. Данный тип темперамента абсолютно противоположен сангвинику и холерику. Такие люди медленные, неторопливые, им не нравятся быстрые движения. Они не считают нужным показывать свои эмоции и чувства, являются ответственными и дисциплинированными. Различные задания, поручения и работу флегматики выполняют качественно и до конца, хоть и не спеша. Таким образом, люди с данным типом темперамента являются стойкими, медлительными, спокойными, постоянными, настойчивыми и упорными личностями. Стиль вождения умеренный, спокойный, медленный. Отрицательно относится к быстрой езде, поэтому, не смотря на большое количество времени, соблюдает правила дорожного движения. Дальние дороги ему по душе, потому что в них он идеально себя чувствует, потому что может долго выполнять монотонную работу с удивительным спокойствием и уравновешенностью. Бывают ситуации, когда флегматики становятся помехой на дороге из-за своей неторопливости. Теряются при угрозе дорожно-транспортного происшествия, входят в ступор, поэтому есть возможность выезда на обочину, тротуар или могут остановиться прямо на дороге. [3,4,5]

Меланхолик. Эти люди скрытны, обидчивы и ранимы. Имеют склонность к сильным переживаниям и печальным мыслям. Меланхолики являются сдержанными личностями, их речь обычно тихая, движения медленные, чувствуется робость, нерешительность, стеснительность. Но, к счастью, они могут быть как трудолюбивыми и целеустремленными людьми, которые успешно идут по жизни, так и, к сожалению, замкнутыми, стеснительными, боязливыми, чувствительными, склонными к различным внутренним переживаниям. Они нечасто становятся водителями из-за своей нерешительности и сомнительности на дороге. Для него вождение может оставить глубокий шрам на душе и стать стрессовой ситуацией. Но если и становятся, то соблюдают все правила. Также, увы, во время движения в плохих погодных условиях, при малой видимости они теряются и не способны контролировать автомобиль. [3,4,5]

Движение автомобилей и других транспортных средств на дороге часто происходит, например, в условиях затора, что часто приводит к изменению физического и эмоционального состояний водителя не в лучшую сторону. Конечно, характер пребывания человека в транспортном заторе также напрямую зависит от типа его темперамента. Холерики и сангвиники реагируют на затор наиболее отрицательно. На флегматиков и меланхоликов он не оказывает особого влияния. [6]

Есть и зависимость между временем реакции и темпераментом. Самая быстрая реакция наблюдается у меланхоликов, а самая долгая у холериков, что вызывает некоторую странность. Но существуют исследования, которые подтверждают, что на первой половине пути между перекрестками, время реакции холерика больше, а на втором участке – меньше. Это доказывает о наличии опасных зон на участках дороги, где имеется высокий уровень возможности возникновения ДТП, в связи с этим понижается уровень безопасности дорожного движения. Поэтому в процессе разработки организации дорожного движения необходимо учитывать факторы, которые могут ухудшить функциональное состояние сангвиников и холериков, от которых в большей степени зависит безопасность дорожного движения. [6]

Опираясь на вышесказанное, можно сделать вывод о том, что темперамент человека играет значительную роль в его водительской деятельности. Каждый темперамент обладает определенными свойствами и чертами, поэтому для успешного вождения нужно его определить и уметь обуздывать, контролировать свои эмоции, чувства, действия, управлять своими качествами на дороге. Ведь даже затор по-разному влияет на каждый тип темперамента, даже время реакции зависит от типа. Садясь за транспортное средство, нужно помнить, что каждый человек – участник дорожного движения. Наша безопасность зависит от нас же самих. Необходимо уважать друг друга, а главное, соблюдать правила дорожного движения. Следует не забывать про спокойствие и внимательность, и научится использовать лучшие ценные качества в характере и темпераменте.