Сверхбыстрый лёд: один на всех? (окончание)

« Назад

02.08.2013 16:32

В заставках спортивных передач и репортажах с ледовых арен часто эксплуатируется достаточно острый и динамичный видеоряд: мощно технично на предельной скорости идущий конькобежец входит в вираж и, словно срезанный, падает и влетает в ограждение стадиона. Камера прой даже лакомится подобными кадрами и подаёт их, как правило, с комментариями о недостаточной технической подготовке спортсмена и неумении разумно дозировать скоростной режим. Однако даже очень опытные спортсмены и тренеры не в состоянии достоверно идентифицировать причины таких падений. Они могут быть обусловлены как температурным режимом льда и его теплофизическими особенностями (перемороженный, недостаточно <вязкий> и т.д.), так и наличием локальных неоднородностей температурного поля на ледовой поверхности, особенно опасных именно в зоне виражей.

Выше мы уже говорили о влиянии температуры поверхности льда на его скользящие свойства и о проблемах, связанных с <температурными пятнами>. Проводя бег на пределе устойчивости, конькобежец не успевает реагировать на локальные участки перемороженного (колкого) льда, проскальзывает на нём или, наоборот, вязнет, попадая коньком на пятна более тёплого льда. И то, и другое приводит к неустойчивости, снижению скорости или же падениям, болезненным и травматичным.

Разработка подобной методики контроля температурных полей актуальна не только для крытых конькобежных центров, принимающих у себя первенства мирового ранга. На новый уровень использования современных технических средств выходит и шорт трек, скоростные достижения и безопасность которого впрямую зависят от прецизионного поддержания всей ледовой площадки на уровне 0°С. Попутно отметим, что до сих пор на соревнованиях с этой целью зоны виражей поливают водой из вёдер. Федерация фигурного катания на рубеже выхода на прыжки в пять оборотов столкнулась с проблемой получения более <эластичного> и мягкого льда, способного частично компенсировать нагрузку на суставы спортсмена при приземлении. Кроме введения соответствующих присадок, эта задача также связана с термостатированием всей поверхности льда при определённой температуре.

Техническая сторона вопроса сводится к разработке и применению надёжной методики контроля температурного поля всей ледовой поверхности, локализации имеющихся температурных неоднородностей и своевременному их устранению. Так, согласно международным стандартам, разность температур между любыми точками поверхности льда не должна превышать 0,5°С. Различие в температуре отдельных участков ледовой арены более, чем в 1-2°С, приводит уже к ощутимому различию условий скольжения [1] и может стать причиной сбоя в беге спортсмена. При этом, если наличие подобной температурной аномалии ледовой поверхности будет зафиксировано технической службой одной из команд-участниц, то этот факт может послужить поводом для апелляций национальных сборных команд и аннулирования результатов международных соревнований. Более того, современное международное спортивное право располагает рядом способов получения значительных денежных компенсаций, которые Оргкомитеты обязывают выплачивать руководство спортивных комплексов, проводящих соревнования на своем льду. Таким образом, детальный и оперативный контроль температуры поверхности, являясь фактором, обеспечивающим безопасность конькобежцев при прохождении дистанции, сегодня становится также реальным финансовым инструментом, заставляющим инженерные службы стадионов своевременно принимать меры по устранению опасных температурных неоднородностей ледовой поверхности.

Как правило, минимальный характерный размер возможного "температурного пятна" определяется шагом раскладки в бетонной плите труб с хладоносителем и составляет порядка 10 см. Тем не менее, даже такая незначительная по ширине локальная неоднородность, вытянутая перпендикулярно к вектору движения конькобежца, реально может спровоцировать сбой при прохождении дистанции спортсменом.

Нами был проведен сравнительный анализ множества средств слежения и фиксации температурных полей, в результате которого стало ясно, что к настоящему моменту даже самые современные и технически оснащённые ледовые арены не располагают методами детального и оперативного контроля температуры больших площадей ледовой поверхности. Проблемы при измерении поверхностной температуры контактными способами обусловлены инерционностью и трудоёмкостью процесса. Площадь поверхности беговых дорожек превышает 5000 м². Поэтому контактным методом оперативно выявить все температурные аномалии практически невозможно. Расположение в толще льда большого количества датчиков и последующий пересчет получаемых значений к величине температуры поверхности нецелесообразно, в силу больших погрешностей метода.

Наиболее перспективным методом контроля поверхностной температуры льда нам представляется метод теплового неразрушающего контроля (ТНК), который не только не связан с необходимостью размещения большого количества датчиков на поверхности ледового поля, но и позволяет получать изображение температурного поля всей поверхности льда.

Методы ТНК основаны на взаимодействии теплового поля объекта с термометрическими чувствительными элементами (термопарой, фотоприемником, жидкокристаллическим термоиндикатором и.т.д.), последующем преобразовании его параметров (интенсивности, температурного градиента, контраста лучистости и др.) в параметры электрического поля или другого сигнала и передаче его на регистрирующий прибор.

Суть метода ТНК состоит в регистрации температурного поля поверхности контролируемого объекта тепловизионной аппаратурой и последующем анализе полученных термограмм. Этот метод контроля практически не имеет альтернативы при первичной локализации температурных аномалий для крупных ледовых сооружений, имеющих площадь ледовой поверхности до 10000-12000 м². Однако, несмотря на высокую разрешающую способность прибора (0,1°С), метод ТНК не позволяет оперативно получать значения абсолютной температуры поверхности. Поэтому наиболее рациональным, на наш взгляд, является совместное использование тепловизионного прибора и контактных термометров. Это позволяет одновременно добиваться высокой скорости измерения и большой области захвата, а далее, с помощью дополнительных измерений температуры поверхности контактными методами производить корректировку полученных термоизображений.

Предлагаемый метод позволяет выявить проблемные зоны на стадии приемки ледовых объектов (бетонной плиты до заливки льда) с целью обнаружения и устранения возможных строительных дефектов при укладке и фиксации труб, которые в последствии и являются наиболее вероятной причиной температурных неоднородностей ледовых покрытий.

Научной группой ООО "ГП ХИЦ" была проведена серия экспериментальных исследований температурного поля ледовой поверхности на различных спортивных объектах. Анализ литературных источников [1,2,3] и консультации со специализированными организациями, занимающимися разработкой научных основ и комплекса оборудования неразрушающего контроля, показали, что до настоящего момента ещё не создана достаточно достоверная и надёжная методика применения ТНК для низкотемпературных объектов и, в частности, для льда, имеющего ряд принципиальных особенностей. Заметим, что широко рекламируемые рядом зарубежных фирм инфракрасные системы для ледовых арен также не могут обеспечить необходимый контроль изотермичности ледовой поверхности. Они базируются, как правило, на цепочке пирометров, определяющих поверхностную температуру льда в отдельных точках и не позволяют составить реальную эпюру распределения температуры по всей ледовой поверхности.

При проведении первого инфракрасного сканирования нам пришлось столкнуться с трудностями, прежде всего связанными с большим количеством бликов (участков с искаженной температурой поверхности вследствие "переотражения" света). Различия в окраске, прозрачности льда от участка к участку, наличие газообразных включений в <теле> льда и на поверхности бетонной плиты и.т.д. требуют специальных технических решений в плане проведения самой съемки и способов коррекции полученных термограмм. Перечисленные факторы приводили к появлению на полученных термоизображениях мнимых неоднородностей температурного поля. Устранение этих искажений потребовало разработки специальной программы экспериментальных съемок с уточнением этапов и условий проведения тепловизионного сканирования. Лед на катке имеет достаточно низкую для традиционных тепловизоров температуру поверхности (-3÷-9°С), что усложняет работу прибора, а, с другой стороны, является своего рода зеркалом, отражающим все тепловые потоки, попадающие на его поверхность. Поэтому на базе предшествующего опыта и обобщения имеющейся информации был разработан ряд методов тепловизионного обследования ледовой арены, позволяющих свести к минимуму погрешности, связанные с влиянием сторонних источников света, коэффициента излучения, угла наблюдения и др. факторов.

Измерения и расчеты спектрального коэффициента ослабления излучения атмосферным воздухом позволяют определить спектральные диапазоны, наиболее рациональные для проведения измерений. Причём, если влияние этого фактора пренебрежимо мало на расстоянии нескольких метров, то на десятках и сотнях метров он может вносить ощутимые искажения в наблюдаемую картину. В общем случае повышенная влажность оказывает большее влияние на получаемую картину теплового поля в диапазоне 8-12 мкм, тогда как аэрозоли и дымка особенно неблагоприятны для интервала длин волн 3-5 мкм.

С одной стороны, согласно закону Вина максимальная интенсивность излучения для объектов, имеющих температуру ниже окружающей среды, находится в полосе с центром диапазона при лямбда=10 мкм, а для высокотемпературных объектов (Т>700 К) смещается до значений лямбда=4 мкм. Поэтому при тепловом сканировании льда более предпочтительным является диапазон длин волн 8-12 мкм.

С другой стороны, анализ показал, что для фиксированного перепада температур (ΔТ) в окрестности характерной для данных измерений температуры значения тепловых контрастов, во многом определяющих точность и качество получаемых изображений, в интервале длин волн 3,5-5 мкм заметно превосходят соответствующие величины тепловых контрастов диапазона 8-14 мкм.

В связи с этим, эксперименты проводились в обоих спектрах съемки (3-5 мкм, 8-12 мкм) с целью реального сопоставления их преимуществ и недостатков.

Особое внимание было уделено площади поверхности единичного кадра. Чем она меньше, тем выше информативность изображения (величина линейного разрешения), но при этом существенно возрастает трудоемкость тепловизионных работ. Необходимо также предусмотреть необходимое количество реперных точек на поверхности льда, которые позволяющих производить последующую "сшивку" многочисленных фрагментов поверхности и анализировать всю картину в целом.

Отдельную задачу представляла собой коррекция изображений, полученных под углом наблюдения, отличным от нормали. Уменьшение коэффициента излучения при больших углах наблюдения вносит существенные искажения в получаемые термоизображения (рис.1). Так, например, при наблюдении по нормали вода близка к абсолютно черному телу, а при наблюдении по касательной становится зеркалом и эпсилон=0.

hb7-05_01
Рисунок 1 - Зависимость интегрального коэффициента излучения эпсилон от угла наблюдения φ.

1 - черное тело;
2 - серое тело;
3 - 5 - диэлектрики с показателями преломления n=1,5;
2 и 4 соответственно;
6 - металл;
7 - экспериментальная зависимость, полученная авторами для льда.

В ходе экспериментов по съёмке под различными углами наблюдения фрагментов поверхности льда, температура которых предварительно измерялась контактными термометрами, нами впервые был получен чрезвычайно важный в методическом плане результат. После необходимой механической подготовки коэффициент излучения льда в диапазоне угла наблюдения от 0 вплоть до 80° практически не меняется (Рис.2). Этот факт позволяет сделать вывод о возможности эффективного использования (без внесения дополнительной погрешности) большого диапазона съемки (0÷80°) и, соответственно, существенно снизить трудоёмкость тепловизионного обследования больших площадей.

hb7-05_02
Рисунок 2 - Фрагмент термограммы ледовой поверхности, используемый для построения экспериментальной зависимости эпсилон=f(φ) на рис. 1.

При проведении обследования для получения термограмм поверхности ледового поля использовались две модели тепловизоров: портативный тепловизор "Thermovision 550" фирмы Agema и портативный двухспектральный компьютерный термограф ИРТИС. На рис. 3, 4 представлены изображения ледовой поверхности, полученные, соответственно, с помощью этих тепловизоров.

hb7-05_03
Рисунок 3 -Термограмма поверхности льда, полученная тепловизором "Thermovision 550"
hb7-05_041 hb7-05_042

Рисунок 4 - Термограммы поверхности льда, полученные с помощью двухспектрального компьютерного термографа ИРТИС

На рис. 4 изображен фрагмент ледовой дорожки в 2-х спектральном диапазоне длин волн: 3-5 мкм и 8-12 мкм. Отметим, что обработка с помощью специализированного программного обеспечения имеющихся 2-х спектральных термоизображений может практически полностью устранить влияние отражений внешних источников излучений. (рис. 5), а также позволяет определять абсолютную температуру ледовой поверхности расчетным путем [3].

hb7-05_051 hb7-05_052
Рисунок 5 - Влияние переотраженного света сторонних источников на получаемую термограмму поверхности в двух спектрах съемки: 3-5 и 8-12 мкм

Программное обеспечение современного тепловизионного оборудования позволяет получать термопрофиль ледовой поверхности (график распределения температуры) по любой прямой (белая линия см. рис. 3, 4). С другой стороны, вид термопрофиля характеризует технические параметры термографа и определяет уровень так называемого "шума" - ложного перепада температур в соседних точках ледовой поверхности, обусловленного индивидуальными характеристиками каждого прибора. Кроме того, уровень шума тесно связан с исследуемым интервалом температур и при его понижении резко возрастает. Хотя уровень шума на термограммах, полученных с помощью 2-х спектрального компьютерного термографа ИРТИС и не превышает 1°С (рис. 6), это все равно не обеспечивает требуемой точности измерений (≤0,1°С). Однако, существуют различные способы его минимизации, один из которых может быть реализован с помощью режима многократной тепловизионной съемки. В этом случае путем суммирования ряда термограмм одного и того же фрагмента поверхности можно усиливать полезный сигнал, значительно уменьшая уровень случайных отклонений - шума (рис. 7).

hb7-05_06 hb7-05_07
Рисунок 6 - Локальный перепад температуры поверхности льда, обусловленный "шумом" прибора Рисунок 7 - Получение реального профиля температуры (без "шума") путем суммирования кадров

В настоящее время ООО "ГП ХИЦ" продолжает разработку методов коррекции изображений с целью устранения краевых эффектов при "сшивке" отдельных фрагментов, бликов, а также выделения локальных неоднородностей ледового покрытия и своевременного устранения имеющихся дефектов. Проводимые исследования должны послужить основой для определения минимального размера локальных аномалий, способных существенно повлиять на результаты спортсменов, и последующего уточнения площади фрагмента съемки (величины линейного разрешения) с целью минимизации трудоемкости процесса сканирования.

Руководство Международного союза конькобежцев (ISU) заинтересовано и уже выступает с инициативой создания специальной независимой технической службы, призванной контролировать равноценность условий для стартующих спортсменов.

ВЫВОДЫ:

  1. В современном большом спорте растут не только результаты, а существенно поднимается планка технического оснащения и сопровождения мировых первенств.
  2. Новейшие технологии и измерительные комплексы оборудования неразрушающего контроля требуют адаптации и доработки применительно к задачам тепловизионного обследования ледовых поверхностей и коррекции получаемых изображений.
  3. При единичном или систематических падениях конькобежцев на различных участках дистанции оперативное получение изображения данного участка с помощью тепловизора является практически единственным способом идентификации причины.
  4. Чтобы исключить впоследствии возможные иски и международные разбирательства, тепловизионный контроль целесообразно проводить уже на стадии сдачи ледового комплекса, когда большая часть строительных и проектных ошибок ещё может быть устранена.
  5. Создание достоверной и экспериментально апробированной методики контроля параметров льда и равенства условий для всех спортсменов уже в настоящий момент востребовано Международным союзом конькобежцев и в ближайшем будущем может стать реальным инструментом сертификации ледовых сооружений для проведения соревнований того или иного ранга.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

  1. Henk Gemser, Jos de Koning, Gerrit Jan van Ingen Schenau. Handbook of Competitive Speed Skating, 1999, 215 pages
  2. О.Н. Будадин, А.И. Потапов, В.И. Колганов и др. Тепловой неразрушающий контроль изделий: Научно-методическое пособие. - М.: Наука, 2002.-472с.
  3. Ж. Госсорг. Инфракрасная термография: Основы, техника, применение. - М.: Мир, 1988.- 416с.