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.

2. Техническое состояние автомобиля NISSAN Almera Classic 1.6 исправное (рулевое управление и тормозная система). Шины шипованные: левое переднее колесо имеет 108 шипов, заднее левое 109 шипов, правое заднее колесо 109 шипов, правое переднее колесо 61 шип.

3. Загрузка автомобиля NISSAN Almera Classic 1.6: водитель.

4. Тип и состояние проезжей части: асфальт покрытый гололедом.

5. Направление движения пешеходов относительно движения автомобиля: слева направо.

7. S_п = 6,65м. – путь пешеходов до места наезда.

8. S_ю1=9,2м. – путь автомобиля NISSAN Almera Classic 1.6 в заторможенном состоянии до наезда;

9. S_Ю = 64,1м. – общая длина следа торможения автомобиля NISSAN Almera Classic 1.6.

Для определения остановочного пути автомобиля NISSAN Almera Classic 1.6 необходимо установить его скорость перед началом торможения.- Скорость движения автомобиля NISSAN Almera Classic 1.6 перед началом торможения определяется по формуле:
, где: (1)
V_a – искомая величина скорости движения автомобиля NISSAN Almera Classic 1.6
1,8 и 26 – постоянные справочные коэффициенты;
S_ю – 64,1м. – длина следа торможения автомобиля NISSAN Almera Classic 1.6;
t₃ – время нарастания замедления при торможении, принимается в зависимости от коэффициента сцепления и степени загрузки автомобиля, c;
L – 2,46м. – база автомобиля NISSAN Almera Classic 1.6 (справочн.);
j – установившееся замедление при торможении автомобиля NISSAN Almera Classic 1.6 в условиях ДТП, м/с², определяется по формуле (2).
Для определения скорости движения транспортного средства перед началом торможения необходимо определить установившееся замедление автомобиля NISSAN Almera Classic 1.6 при различных значениях коэффициента сцепления шин автомобиля с дорогой. 
- Установившееся замедление автомобиля NISSAN Almera Classic 1.6 определяется по формуле:
, где: (2)
g – ускорение свободного падения, принимается 9,81м/с²;
Кэ – коэффициент эффективности торможения автомобиля NISSAN Almera Classic 1.6 принимается равным 1,1;
 - коэффициент сцепления шин автомобиля NISSAN Almera Classic 1.6 с автомобильной дорогой.
Подставляем значения указанного значения коэффициента сцепления в формулу (2), и результаты расчетов сведем в таблицу 1:

После определения замедления автомобиля переходим к определению скорости движения автомобиля NISSAN Almera Classic 1.6 перед началом торможения с помощью формулы (1), используя полученные значения замедления (Таблица 1) и коэффициента сцепления. Результаты расчетов сведем в таблицу 2:

Следует отметить, что полученные значения скорости движения автомобиля NISSAN Almera Classic 1.6 являются минимальными, поскольку в расчете не учтены затраты кинетической энергии израсходованной на деформацию деталей при наезде на пешеходов, при наезде на дерево, опрокидывания автомобиля, перемещения автомобиля на крыше. Учесть последнее не предоставляется возможным из-за отсутствия научно-обоснованной и достаточно апробированной методики подобных исследований. Таким образом, скорость движения автомобиля NISSAN Almera Classic 1.6 перед началом торможения определяется несколько более полученных значений.
- Удаление автомобиля NISSAN Almera Classic 1.6 от места наезда в момент возникновения опасной обстановки определяется по формуле:
, где: (3)
S_п=6,65м. – путь пешехода в поле зрения водителя по проезжей части (из постановления);
V_п=2,77км/ч – скорость движения пешехода (3м. за 3,9сек. из постановления);
V_a – расчетная скорость движения автомобиля NISSAN Almera Classic 1.6 , принимаем из Таблицы 2.2;
j – установившееся замедление при торможении автомобиля NISSAN Almera Classic 1.6 , принимаем из Таблицы 2.1;
 - 54,1м. – расстояние, которое преодолел автомобиль NISSAN Almera Classic 1.6 в заторможенном состоянии после наезда;
S_Ю = 64,1м. – общая длина следа торможения автомобиля;
S_ю1=9,2м. – расстояние, которое преодолел автомобиль NISSAN Almera Classic 1.6 в заторможенном состоянии до наезда (из постановления).
м. (4)
где: С=0,8м. – расстояние от передней оси автомобиля ВАЗ 2114 до передней габаритной точки автомобиля (передний свес).
Подставляем значения указанных параметров в формулу (3), и результаты расчетов сведем в таблицу 3.3:

- Остановочный путь автомобиля NISSAN Almera Classic 1.6 в условиях ДТП при полученных скоростях движения (Таблица 2) определяется по формуле:, где: (5)
t₁ – время реакции водителя, принимаем равным 1,0 с. (справочн.);
t₂ – время запаздывания срабатывания тормозного привода автомобиля NISSAN Almera Classic 1.6 , принимаем равным 0,1 с. (справочн.);
t₃ – время нарастания замедления, принимается в зависимости от коэффициента сцепления и степени загрузки автомобиля, c;
j – установившееся замедление автомобиля NISSAN Almera Classic 1.6 , м/с² (Таблица 2.1);
V_a – скорость движения автомобиля NISSAN Almera Classic 1.6 (Таблица 2.2).
Подставляем значения указанных параметров в формулу (5), и результаты расчетов сведем в таблицу 4:

В результате проведенного исследования получены данные остановочного пути транспортного средства S_о и удаления S_уд его от места наезда в момент возникновения опасной обстановки, с помощью сопоставления которых можно определить наличие у водителя автомобиля NISSAN Almera Classic 1.6технической возможности предотвратить ДТП (Таблица 5).

Как видно из таблицы, при всех значениях коэффициента сцепления шин с дорогой водитель автомобиля NISSAN Almera Classic 1.6 располагал технической возможностью предотвратить наезд на пешеходов путем применения экстренного торможения в данной дорожно-транспортной ситуации, т.к. значение остановочного пути (S_O) меньше значения расстояния удаления (S_уд). Тем не менее, благодаря таким расчетам можно наглядно увидеть, что при изменении лишь одного параметра, остановочный путь автомобиля изменяется в пределах 14 метров, а удаление автомобиля – в пределах 85 метров, учитывая и то условие, что при расследовании ДТП имеет огромное значение даже 1метр.