СПОСОБ КОНТРОЛЯ КОНТЕЙНЕРОВ С ХРАНЯЩИМИСЯ В НИХ МАТЕРИАЛАМИ
METHOD OF INSPECTING CONTAINERS WITH MATERIALS

Предлагаемое изобретение относится к области способов контроля внутреннего пространства контейнеров с хранящимися в них объектами и может быть использовано для обнаружения факта несанкционированного вскрытия контейнеров или доступа к их содержимому.
Известен способ контроля герметичных контейнеров с хранящимися в них материалами (патент РФ №2258651, МПК B65D 90/50, опубл. 20.08.2005 г.), согласно которому первоначально в контейнер загружают материал, герметизируют контейнер, измеряют параметры среды хранения в начальный и в произвольные моменты вскрытия с построением графических зависимостей по результатам проведенных измерений. Факт несанкционированного вскрытия контейнера констатируют по резкому изменению определяемых параметров.
Недостатком известного способа является отсутствие возможности установления факта несанкционированного вскрытия контейнера с хранящимися в нем материалами, которые характеризуются стабильными при хранении свойствами.
Известен в качестве прототипа способ контроля герметичных контейнеров с хранящимися в них материалами (патент РФ №2258022, МПК B65D 90/50, опубл. 10.08.2005 г.). Согласно этому способу в контейнер загружают тепловыделяющий материал, герметизируют и вакуумируют контейнер, формируют среду хранения и измеряют параметры среды хранения в начальный и в произвольные моменты вскрытия с построением графических зависимостей по результатам проведенных измерений перепада температур. Факт несанкционированного вскрытия контейнера констатируют при наличии резкого изменения определяемого параметра на графике.
К недостаткам прототипа относится то, что в случае хранения материалов со стабильными во времени свойствами в нем не предусмотрено средств для достоверного установления факта несанкционированного вскрытия контейнера.
Задачей авторов изобретения является разработка способа, обеспечивающего достоверное установление факта несанкционированного вскрытия контейнера с хранящимися в нем материалами, характеризующимися стабильными во времени свойствами.
Новый технический результат, обеспечиваемый при использовании предлагаемого способа, заключается в обеспечении возможности достоверного установления факта несанкционированного вскрытия контейнера с хранящимися в нем материалами, характеризующимися стабильными во времени свойствами, и повышении информативности способа.
Указанные задача и новый технический результат обеспечиваются тем, что в известном способе контроля контейнеров с хранящимися в них материалами, включающем загрузку материалов в контейнер, измерение параметров среды хранения в начальный момент и в произвольные моменты хранения и определение факта несанкционированного вскрытия контейнера по изменению определяемых характеристик, в соответствии с предлагаемым способом в начальный момент хранения и в произвольный момент перед контрольным вскрытием на контейнер оказывают механическое воздействие, которое формируют посредством подачи ударного импульса или вибровозбуждения на контейнер, после чего регистрируют виброускорения контейнера и проводят их частотный анализ путем построения матрицы передаточных функций, а о факте несанкционированного вскрытия контейнера судят по изменению матрицы передаточных функций.
Предлагаемый способ поясняется следующим образом.
Первоначально в контейнер упаковывают материалы, предназначенные к длительному хранению. Далее производят измерение параметров среды хранения в начальный момент загрузки контейнера. Для удобства осуществления измерений параметров и контроля величины и характера вибровоздействий контейнер в условиях эксперимента подвешивают с помощью амортизаторов в испытательном стенде. На закрепленный таким образом в стенде контейнер с упакованными в нем материалами осуществляют механическое воздействие в начальный момент хранения и в произвольные моменты хранения перед контрольным вскрытием.
Сущность метода заключается в механическом вибровозбуждении исследуемого контейнера с упакованными в нем материалами и частотном анализе динамического отклика (виброускорений) контейнера на это возбуждение. Анализ осуществляется путем построения матрицы передаточных функций по экспериментальным кривым отклика с последующим вычислением модальных параметров системы - модальной частоты и коэффициента демпфирования для каждой моды.
Механическое воздействие осуществляют с помощью вибратора, на вход которого подают сигнал возбуждения, преобразуемый вибратором в широкополосную случайную вибрацию с постоянной спектральной плотностью. Сформированный сигнал вибровозбуждения передают далее на контейнер через стержень и датчик силы. Измерение сигнала отклика производят с помощью пьезоакселерометров. Далее проводят частотный анализ отклика путем построения матрицы передаточных функций. Факт несанкционированного вскрытия контейнера с хранящимися в нем материалами устанавливают на основе изменения матрицы передаточных функций.
На чертеже изображена схема экспериментальной установки с использованием контейнера с упакованными в нем материалами, предназначенными для хранения.
В предлагаемом способе предлагается проводить идентификацию механических систем, колебания которых, в общем виде, с учетом линейной жесткости и выражением трения в соответствии с гипотезой Фойгта, описываются следующим дифференциальным уравнением:
где М - матрица инерционных коэффициентов размером n×n,
n - размерность системы;
В, С - матрицы коэффициентов демпфирования и жесткости размером n×n;
q(t) - вектор обобщенных координат;
x(t) - вектор возмущений (входной сигнал).
Связь между возмущениями и реакцией системы можно выразить с помощью уравнения свертки:
где R(t-τ) - матрица импульсных переходных функций размером n×n.
С помощью преобразования по Лапласу уравнение (2) можно представить в следующем виде:
где Q(s) - изображение по Лапласу вектора обобщенных координат,
X(s) - изображение по Лапласу вектора возмущений,
W(s) - матрица передаточных функций системы размером n×n.
Экспериментально подтверждено, что идентификация динамической системы с помощью матриц импульсных переходных функций и идентификация с помощью матриц передаточных функций системы эквивалентны. Эти операторы дают исчерпывающую характеристику исследуемой системы. Определение данных операторов и является основной задачей идентификации предлагаемой системы.
Управление режимами нагружения, измерение параметров нагрузок, обработка и анализ результатов измерений выполняется с помощью цифровой системы управления.
Для различных вариантов сборки контейнера проводят определение амплитудно-частотных характеристик и передаточных функций.
Для задания внешнего механического воздействия на контейнер с материалами производят вибрационное нагружение контейнера электродинамическим минивибратором или динамометрическим молотком.
Для подтверждения возможности применения предлагаемого способа для контроля контейнеров с хранящимися материалами были проведены экспериментальные исследования, в ходе которых получена статистическая база экспериментальных данных и показана повторяемость результатов, т.е. неизменность частотных характеристик, резонансов, передаточных функций, декрементов затухания системы при воздействии на систему с некоторыми интервалами времени, определены характеристики внешней механической нагрузки, позволяющей получать устойчивый сигнал-отклик системы, который можно надежно зафиксировать имеющейся аппаратурой, при этом доказана невозможность имитации сигнала-отклика системы при замене хранящейся детали деталью из другого материала.
Исследуемый контейнер (1) устанавливается на поддон (2), который подвешивается к балке (3), несущей части экспериментальной установки с помощью амортизаторов (4). Вибровозбуждение контейнера (1) осуществляется с помощью минивибратора (5), закрепленного на балке (3), несущей части экспериментальной установки. На вход минивибратора (5) от усилителя мощности (6) подается сигнал возбуждения Vp в виде «белого шума». Минивибратор (5) преобразует этот сигнал в широкополосную случайную вибрацию с постоянной спектральной плотностью и через стержень (7) и датчик силы (8) передает вибровозбуждение на контейнер (1). Отношение сигнала отклика регистрирующих пьезоакселерометров (9) к сигналу датчика силы (8) с помощью аппаратного комплекса рабочей станции (10) подвергается преобразованию Фурье (определяются частотные спектры и вычисляются передаточные функции) и последующему модальному анализу. Результаты модального анализа в виде таблицы модальных параметров помещаются в базу данных эксперимента. На основании результатов анализа принимают решение о наличии или отсутствии факта несанкционированного вскрытия контейнера.
Применение компьютерных методов представления и обработки измеряемых параметров повышает наглядность полученных результатов и скорость их обработки.
Результаты проведенных исследований показывают возможность применения предлагаемого способа для целей учета и контроля контейнеров с хранящимися в них материалами.
В ходе исследований были определены параметры, которые необходимо контролировать при реализации предлагаемого способа для целей учета и контроля контейнеров с хранящимися материалами, исследовано влияние различных характеристик входного сигнала на эти параметры, проведена оценка погрешности способа и его чувствительности к различным факторам вмешательства. В таблице 1 приведены результаты эксперимента по исследованию влияния фактора вмешательства на параметры динамической системы «контейнер + хранящиеся материалы».
Экспериментально показано, что с помощью предлагаемого способа можно проводить контроль неизменности состояния динамической системы «контейнер + хранящийся материал», а также определять фактор несанкционированного вмешательства в систему.
Таким образом, использование предлагаемого способа обеспечивает возможность достоверного установления факта несанкционированного вскрытия контейнера с хранящимися в нем материалами, характеризующимися стабильными во времени свойствами, и повышения информативности предлагаемого способа по сравнению с прототипом.
Возможность промышленной реализации предлагаемого способа подтверждается следующим примером.
Пример. В лабораторных условиях были проведены исследования на испытательном стенде. В экспериментах использовался стальной контейнер. Контейнер выполнен в виде сварного корпуса цилиндрической формы (1) из листовой нержавеющей стали толщиной ~3 мм, внутри которого расположена емкость (бюкс) для размещения хранимого материала. В качестве объекта хранения были использованы макеты из стали и алюминиевого сплава одинаковой массы.
Путем проведения предварительных экспериментов было установлено, что возбуждению макетов, упакованных в контейнер, соответствуют две первые моды колебаний наружной поверхности контейнера - в области 130 Гц и 240 Гц.
Анализ конструкции контейнера и оценочные расчеты показали, что первая мода колебаний обусловлена жесткостью пружинного компенсатора, прижимающего упакованный макет, вторая мода определяется упругостью верхней крышки контейнера.
Были проведены две серии опытов, целью которых являлся анализ чувствительности модальных параметров к воздействию факторов вмешательства и выбор диагностических параметров, которые могут использоваться для регистрации вмешательства в содержимое контейнера. В 1-й серии моделировалось исходное состояние контейнера с макетом из стали, во 2-й моделировалась подмена данного макета на макет из алюминиевого сплава без изменения общей массы упаковки.
Управляемые факторы составляли следующие величины:
- диапазон частот - 0…1000 Гц;
- тип минивибратора - 4809;
- величина сигнала возбуждения Vp - 3,0 В.
В качестве исследуемой функции отклика использовалась передаточная функция, обобщающая результаты регистрации параметров вибрации контейнера в точках установки регистрирующих пъезоакселерометров.
i
cp
i
cp
i
f
i
d
i
f
i
d
2
2
Каждая серия содержала 3 опыта. Результаты эксперимента в виде среднеарифметических значений (f) частоты i-ой моды (i=1, 2), коэффициентов демпфирования (d), соответствующих дисперсий (S ), (S ) и относительных погрешностей (δ) и (δ) (%) определения модальных частот и коэффициентов демпфирования для каждой серии представлены в таблице 1.
Результаты опытов, приведенные в таблице 1, показывают, что:
- наибольшей чувствительностью к изменению фактора вмешательства в содержимое контейнера обладает частота первой моды и коэффициент демпфирования на первой модальной частоте,
- изменение динамических характеристик контейнера при его несанкционированном вскрытии и замене объекта хранения приводит к статистически значимому отклонению модальных параметров от их значений, зафиксированных при первичной проверке контейнера.
Результаты исследований показывают возможность применения предлагаемого способа для целей учета и контроля контейнеров с хранящимися в них материалами. С помощью предлагаемого способа можно проводить контроль неизменности состояния системы «контейнер + хранящийся объект», а также определять фактор несанкционированного вмешательства в данную систему (изъятие или подмена объекта).
Использование всех средств и операций предлагаемого способа для обеспечения достоверного выявления факта несанкционированного вскрытия контейнера с хранящимися в нем стабильными при хранении материалами было достаточно эффективно, тогда как в прототипе, основанном на измерении количества выделяемого тепла, такой подход был основан на зависимости от величины тепловыделения хранящегося объекта, которое менялось во времени, например, для материалов, теряющих тепло за счет радиоактивного распада. Измеряемые предлагаемым способом показатели не зависят от указанных обстоятельств.
Таким образом, использование предлагаемого способа обеспечивает возможность достоверного установления факта несанкционированного вскрытия контейнера с хранящимися в нем материалами, характеризующимися стабильными во времени свойствами, и повышения информативности предлагаемого способа по сравнению с прототипом.
Таблица 1.
Пример реализации
Условия измерений динамической системы
Виды измерений
Стабильное (исходное состояние контейнера с макетом из стали)
Изменяемое (моделировалась подмена макета из стали на макет из алюминиевого сплава без изменения общей массы упаковки)
Вариант
№ серии
1
2
3
4
Мода 1
(f<sub>1</sub>)<sub>cp</sub>
29,1
34,1
(S<sup>2</sup> <sub>1</sub>)<sub>f</sub>
0,22
0,12
δ<sub>f1</sub>
0,61
0,44
(d<sub>1</sub>)<sub>cp</sub>
3,74
2,12
(S<sup>2</sup> <sub>1</sub>)<sub>d</sub>
0,01
0,09
δ<sub>d1</sub>
4,96
23,6
Мода 2
(f<sub>2</sub>)<sub>cp</sub>
237,9
237,6
(S<sup>2</sup> <sub>2</sub>)<sub>f</sub>
0,86
0,17
δ<sub>f2</sub>
0,66
0,29
(d<sub>2</sub>)<sub>cp</sub>
2,15
2,31
(S<sup>2</sup> <sub>2</sub>)<sub>d</sub>
0*
0,02
δ<sub>d2</sub>
2,97
9.4
* - фактическая величина (S<sup>2</sup> <sub>2</sub>)<sub>f</sub> меньше 0,01