Тепловизионное обследование квартиры в жилом доме средней этажности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 История открытия инфракрасного излучения

1.2 Краткие сведения по теории инфракрасного излучения

1.3 Теплообмен излучением между двумя телами

2 ТЕПЛОВИЗОРЫ. ОСНОВНЫЕ ПРАВИЛА ПРОВЕДЕНИЯ ТЕПЛОВИЗИОННОГО ОБСЛЕДОВАНИЯ СТРОИТЕЛЬНОГО ОБЪЕКТА

2.1 Тепловизоры. Классификация тепловизоров

2.2 Технические характеристики современных тепловизоров

2.3 Основные правила проведения тепловизионного обследования строительного объекта

3 ТЕПЛОВИЗИОННОЕ ОБСЛЕДОВАНИЕ КВАРТИРЫ В ЖИЛОМ ДОМЕ СРЕДНЕЙ ЭТАЖНОСТИ (Г. ВОЛОГДА)

3.1 Обработка термограмм в прикладной программной среде IRSoft

3.2 Результаты тепловизионного обследования жилой квартиры

4 ОЦЕНКА СТОИМОСТИ ПРОВЕДЕНИЯ ТЕПЛОВИЗИОННОГО ОБСЛЕДОВАНИЯ ОБЪЕКТА КОНТРОЛЯ

5 АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕПЛОВИЗИОННОГО ОБСЛЕДОВАНИЯ

6 ЭКОЛОГИЧНОСТЬ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

6.1 Особенности инфракрасного излучения

6.2 Воздействие инфракрасного излучения на человека

6.3 Воздействие инфракрасного излучения на окружающую среду

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

ВВЕДЕНИЕ

Температура, в физическом смысле этого слова, это мощность инфракрасного излучения. Это излучение для глаза человека невидимо, и только очень сильно нагретые тела начинают испускать волны, лежащие в пределах светового диапазона. Температура - самое универсальное отражение состояния физического тела. При практически всех «заболеваниях» теплового объекта, изменение температуры является самым первым симптомом, указывающим нам на «болезнь». Температурные реакции, на те или иные режимы работы в силу своей универсальности, возникают на всех этапах эксплуатации оборудования. Применение тепловизионной диагностики основано на том, что наличие практически всех видов дефектов оборудования вызывает изменение температуры дефектных элементов и, как следствие, изменение интенсивности инфракрасного излучения, которое может быть зарегистрировано тепловизионным прибором. Важно, чтобы измерялось собственное излучение обследуемого объекта, связанное с наличием и степенью развития дефекта. Присутствие дефекта выявляется сравнением температуры аналогичных участков поверхности аппаратов, работающих в одинаковых условиях нагрева и охлаждения.

Тепловизионная диагностика обладает огромным потенциалом для оценки теплового состояния зданий и сооружений. Она выявляет дефекты на самой ранней стадии их развития, что позволяет планировать объемы и сроки проведения ремонтных работ по фактическому состоянию строительного объекта. Плановый вывод из эксплуатации дефектного теплового оборудования (на основе современных средств диагностики) значительно повышает надежность и безопасность эксплуатации инженерных коммуникаций, существенно сокращает потери энергоресурсов. Особая ценность тепловидения в том, что диагностика осуществляется без вывода всей теплопотребляющей системы из работы.

К настоящему времени также накоплен значительный опыт тепловизионной диагностики на объектах электроэнергетики. Опыт применения тепловидения показал его значительную эффективность, особенно при контроле контактных соединений на предприятиях электроэнергетики. К примеру, в РАО «ЕЭС России» разработаны методики тепловизионной диагностики практически для всех видов электрооборудования. Метод стал нормативным и включен в шестое издание сборника «Объем и нормы испытаний электрооборудования».

Тепловизионное обследование ограждающих конструкций зданий проводится согласно ГОСТ 26629-85 «Здания и сооружения. Метод тепловизионного контроля качества теплоизоляции ограждающих конструкций» и позволяет осуществлять тепловизионный контроль качества изоляции и герметичности здания, выявить участки повышенного содержания влаги и провести испытания ограждающих конструкций зданий: наружных стен, покрытий, чердачных перекрытий, перекрытий над проездами, холодными подпольями и подвалами, ворот и дверей в наружных стенах, а также оконных и балконных дверных блоков и других ограждающих конструкций, разделяющих помещения с различными температурно-влажностными условиями. Энергетическое обследование зданий и сооружений предусматривает, наряду с энергоаудитом инженерных сетей, проведение тепловизионного обследования ограждающих конструкций.

В выпускной квалификационной работе рассмотрены следующие вопросы:

1) история открытия инфракрасного излучения, основные свойства и законы лучистого теплообмена, теплообмен между телами;

2) классификация тепловизоров и их технические характеристики, основные требования по организации и проведению тепловизионной диагностики объектов теплового потребления

3) обработка тепловых изображений (термограмм) в программных средах на примере IRSoft (компания Testo AG, Германия);

4) тепловизионное обследование объекта контроля на примере квартиры в жилом здании и составление технического отчета-протокола о результатах термографирования строительного объекта;

5) метрологическая карта средств измерений, экономические и экологические аспекты тепловизионной съемки зданий и сооружений.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 История открытия инфракрасного излучения

Гипотеза о существовании невидимых «тепловых» лучей является весьма древней. Еще римский философ-материалист Тит Лукреций Кар (ок. 99-55 гг. до н. э.) в своем сочинении «О природе вещей» писал [1-3]:

«Может быть, также небес светильник розовый - Солнце

Множеством жарких огней обладает, невидимых нами,

Что окружает его совершенно без всякого блеска,

Лишь умножая своей теплотою лучей его силу».

Тем не менее, систематическое исследование теплового излучения началось только в последней четверти XVIII в., когда широкое применение паровых машин в металлургической и химической промышленности, тесно связанных с тепловыми процессами, стимулировало развитие учения о теплоте.

Впервые понятие «тепловое излучение» было введено выдающимся шведским химиком Карлом Шееле (1742-1786), посвятившим свойствам «лучистой теплоты» отдельную главу в «Химическом трактате о воздухе и огне».

Через два года после опубликования трактата К. Шееле посмертно вышла «Пирометрия» немецкого математика и физика Иоганна Ламберта (1728-1777). И. Ламберт впервые экспериментально доказал, что тепловые лучи распространяются прямолинейно и что их интенсивность убывает обратно пропорционально квадрату расстояния. Следует отметить, что как И. Ламберт, так и К. Шееле видели и подчеркивали сходство между тепловыми и световыми лучами (прямолинейное распространение, отражение), но о тождестве их не могло быть и речи. Лишь дальнейшее развитие теории теплового излучения и ее подтверждение экспериментальными данными привело к более глубокому пониманию взаимосвязи теплового и светового излучений.

Швейцарский натуралист Марк-Август Пикте (1752-1825) при проведении знаменитого опыта с «отраженным холодом» установил, что если во взаимодействии находятся два тела неодинаковой температуры, то более теплое тело отдает теплоту и его температура понижается и наоборот. Когда температура обоих тел одинакова, никакой отдачи и поглощения теплоты не существует. Этим объяснением М.-А. Пикте устранялось понятие «лучей холода».

Профессор Женевской Академии Пьер Прево (1751-1839) в 1771 г. высказал мысль о том, что тела, имеющие одинаковую температуру, все же обмениваются излучением. Он первый показал, что энергетическое равновесное состояние носит динамический характер. Согласно П. Прево всякое нагретое тело испускает тепловые лучи, подобно тому, как всякое светящееся тело испускает световые лучи. Тепловые лучи представляют собой тепловые частицы, движущиеся в пространстве прямолинейно с большой скоростью. Все пространство пронизано этими лучами из тепловых частиц. Каждую точку на поверхности нагретого тела можно рассматривать как центр, из которого испускаются тепловые частицы во всех направлениях и к которому эти частицы притекают со всех сторон. Иными словами, каждое тело постоянно излучает теплоту и получает ее благодаря такому же тепловому излучению от окружающих тел. Отношение между этими количествами теплоты определяет температуру тела.

Английский астроном немецкого происхождения Уильям Гершель (1738-1822) в начале 1800 г. заметил, что стекла различных цветов, употребляемые как светофильтры телескопов, по-разному поглощают свет и теплоту солнечных лучей. Помещая чувствительный термометр с зачерненным шариком в каждую цветную полосу солнечного спектра, ученый обнаружил, что показания термометра увеличиваются по мере продвижения от фиолетовой полосы к красной. Таким образом, была обнаружена зависимость между интенсивностью поглощения инфракрасных лучей телом и цветом его поверхности. Через некоторое время У. Гершель показал, что невидимые тепловые лучи отражаются и преломляется так же, как и видимый свет. Однако, противники У. Гершеля и даже он сам, сомневались в результатах экспериментальных исследований. Наиболее рьяные оппоненты, как Джон Лесли (1766-1832) и сэр Дэвид Брюстер (1781-1868), отрицали существование инфракрасных лучей и считали, что «воображаемые невидимые солнечные лучи являются ничем иным, как нагретым воздухом, окружающим светящееся тело». Дж. Лесли, повторяя научный эксперимент У. Гершеля, не обнаружил увеличение показаний ртутного термометра за пределами красной полосы. Критика Дж. Лесли и Д. Брюстера, несмотря на ошибочное отрицание реального существования инфракрасных лучей, имела и положительное значение. Она вскрыла непоследовательность в рассуждениях У. Гершеля и явилась толчком для развязывания дискуссии, способствовавшей выяснению природы теплового излучения.

Одним из первых, кто признал открытие У. Гершеля, был П. Прево. Идеи У. Гершеля были поддержаны также английским физиком Томасом Юнгом (1773-1829), который уже в 1802 г. высказал предположение о том, что световые лучи отличаются от тепловых лишь частотой колебаний. К 1830 г. опыты У. Гершеля были повторены в достаточном количестве для того, чтобы считать окончательно установленным факт существования невидимых лучей, расположенных за красной частью видимого солнечного спектра и вызывающих нагревание ртутного шарика термометра. Эти лучи позже были названы французским физиком Антуаном Анри Беккерелем (1852-1908) инфракрасными.

Дальнейшее исследование свойств инфракрасных лучей связано с именем итальянского физика Маседонио Меллони (1798-1854), посвятившим всю свою научную деятельность вопросам теплового излучения. В 1833 г. М. Меллони показал, что различные вещества в неодинаковой степени пропускают инфракрасные лучи, и это свойство он обозначил словом «диатерман», т. е. теплопрозрачный. Кроме того, исследователь убедился, что одно и то же тело неодинаково пропускает инфракрасные лучи от различных источников.

Французский физик и математик Андре-Мари Ампер (1775-1836), руководствовавшийся плодотворной философской идеей о единстве сил природы, пришел к выводу об общей природе тепловых и световых лучей на основе волновой теории света. Различия в их прохождении сквозь тела А.-М. Ампер объяснял неодинаковыми длинами волн.

Последующее внимание ученых сосредоточилось на определении длины волны инфракрасных лучей. Арман Физо (1819-1896) и Жан Фуко (1819-1868), изучая в 1847 г. явление интерференции инфракрасных лучей, эталонируют спектр до . Американский астрофизик Самюэль Ланглей (1834-1906) в 1881 г. с помощью болометра определяет с поразительной для того времени точностью дисперсии флинта до и каменной соли до . Фридрих Пашен (1865-1947) с помощью флюорита продвигает исследования инфракрасных лучей до , а Генрих Рубенс (1865-1922) - до . В 1897 г. Г. Рубенс и Эрнест Никольс (1869-1924) открывают метод остаточных лучей и проходят по спектру до . В 1910 г. Г. Рубенс и Роберт Вуд (1868-1955), оперируя кварцевыми линзами, выделяют излучения с длиной волны . Несколько позже Г. Рубенс и Адольф фон Байер (1835-1917), оперируя той же техникой, в 1914 г. измеряют излучение газосветной кварцевой лампы с парами ртути до . В 1922 г. Герда Ласки (1893-1928) выделяет излучение с длиной волны , а Э. Никольс в 1923 г. повторяет опыты Г. Рубенса и А. фон Байера и обнаруживают инфракрасные лучи длиной волны в излучении маленького электрического осциллятора. Окончательный мост между электромагнитными колебаниями, генерируемыми приборами и излучениями, испускаемыми молекулами и атомами, удалось перекинуть в 1923 г. профессору Московского университета Александре Андреевне Глаголевой-Аркадьевой (1884-1945) с помощью массового излучателя. Этот источник, в котором электрические искры пропускались через смесь металлических опилок с вязким маслом (вибрационная масса), позволил получить волны длиной от до нескольких сантиметров, т. е. волны, с избытком перекрывшие существовавший тогда пробел в шкале электромагнитных колебаний. Исследованиями А.А. Глаголевой-Аркадьевой были устранены все следы гипотетичности в общности спектра электромагнитных колебаний и подтверждено единство электромагнитной природы света и радиоволн.

Одновременно с исследованиями по определению длин волн инфракрасных лучей разрабатывалась теория теплового излучения. Фундаментом этой теории явился закон, установленный выдающимся немецким физиком Густавом Кирхгофом (1824-1887). Исходя из термодинамического принципа, согласно которому в системе тел, имеющих одну и ту же температуру, взаимные излучения не нарушают равновесия, Г. Кирхгоф обнаружил, что отношение излучательной способности тела к поглощательной способности одинаково для всех тел, не зависит от их природы и является универсальной функцией длины волны излучения и температуры. Немецкий ученый допустил возможность существования тела, полностью поглощающего весь падающий на него поток независимо от его температуры, которое он назвал абсолютно черным.

В 1879 г. австрийский физик Йозеф Стефан (1835-1893) сформулировал закон интегрального излучения, согласно которому суммарная энергия излучения любого тела пропорциональна разности четвертых степеней абсолютных температур тела и окружающей среды. В 1884 г. знаменитый австрийский ученый Людвиг Больцман (1844-1906) дал строгое теоретическое доказательство закона Й. Стефана и показал, что он справедлив лишь для абсолютно черного тела. В дальнейшем этот закон получил название закона Стефана-Больцмана.

Так как плотность излучения абсолютно черного тела и распределение по частотам однозначно определяются температурой тела, то ее условно можно назвать температурой излучения. Понятие «температура излучения» было введено в 1893 г. русским физиком Борисом Борисовичем Голицыным (1862-1916) в магистерской диссертации «Исследование по математической физике».

Выдающийся немецкий физик-теоретик Макс Планк (1858-1947), который после смерти Г. Кирхгофа, стал его преемником в Берлинском университете, определил универсальную зависимость излучательной способности абсолютно черного тела от длины волны и температуры. При теоретическом обосновании найденного закона М. Планк имел смелость порвать с классической физикой и ввести по необходимости идею о прерывном, квантовом обмене энергией между излучающими системами. Теория М. Планка основана на предположении, что в каждом весомом теле содержится громадное число электромагнитных вибраторов - «резонаторов», каждый из которых обладает собственным периодом. М. Планк допустил, что поглощение и отдача энергии резонаторами происходит не непрерывно, сколь угодно малыми количествами, а порциями определенной конечной величины. Рассматривая условия распределения энергии между резонаторами и их излучением, М. Планк приходит к своей формуле для определения энергии излучения абсолютно черного тела. Впоследствии голландский физик Петер Дебай (1884-1966) показал, что для вывода формулы М. Планка не было необходимости вводить понятие о резонаторах.

В 1893 г. появилось замечательное исследование немецкого физика Вильгельма Вина (1864-1928) в работе «Некоторая новая связь излучения черных тел со вторым принципом термодинамики», в котором он установил, что длина волны, соответствующая максимальному значению энергии излучения абсолютно черного тела, обратно пропорциональна его абсолютной температуре. В речи, произнесенной им 11 декабря 1911 г. в связи с присуждением Нобелевской премии за открытия, относящиеся к теории теплового излучения, В. Вин сказал: «Я имел счастье найти на поле общей термодинамической теории лучеиспускания не всю еще жатву собранной. Пользуясь известными физическими законами, я мог вывести общий закон теории лучеиспускания, который под названием закона смещения встретил признание у всех физиков». Необходимо сказать, что при проведении теоретических исследований в области инфракрасного излучения русский физик Владимир Александрович Михельсон (1860-1927) настолько близко подошел к открытому В. Вином закону смещения, что только случайность и неточность в анализе экспериментальных данных привели его к ошибочной формулировке закона.

Научными работами М. Планка и В. Вина был подведен определенный итог исследованиям в области теплового излучения, проведенным за 100 лет со времени открытия инфракрасных лучей.

С начала XX в. усиливается интерес к применению инфракрасной техники для решения все более возрастающего числа практических проблем. Развивается инфракрасная спектроскопия - мощный инструмент исследования взаимодействия излучения с веществом и идентификации различных химических соединений, создаются приборы для радиометрического измерения температур звезд и планет. В 1941 году англичане начинают применять на средиземноморском театре военных действий приборы ночного видения на основе электронно-оптических преобразователей изображения. Немецкая армия использует инфракрасную аппаратуру для вождения танков в ночных условиях, в системах опознавания самолетов. В мирных целях инфракрасные установки стали широко использоваться в системах отопления, сушки и приготовления пищи. Применение инфракрасной техники в медицине и биологии позволило разработать приборы для изучения адаптации глаза к темноте и аппаратуру для ранней диагностики раковых заболеваний. В дерматологии благодаря хорошему проникновению инфракрасных лучей через кожу появилась возможность исследовать поражения тканей и воздействовать на подкожные системы кровообращения. Инфракрасные приборы применяются в живописи для раскрытия оригиналов, скрытых более поздними записями, в криминалистике для отличий от подделок подлинных документов и драгоценных камней, а также для прочтения стертых мест в тексте. Инфракрасное фотографирование с воздуха дает возможность оценивать состояние лесных массивов и обнаруживать очаги пожаров. Следует также упомянуть об использовании инфракрасной аппаратуры для предупреждения столкновений самолетов в воздухе и кораблей в море при их движении ночью. Инфракрасные волны получили широкое практическое применение в тепловизионной диагностике зданий, систем теплового обеспечения, электрических схем, производственных процессов и т. п.

1.2 Краткие сведения по теории инфракрасного излучения

Все поверхности помещения являются источниками теплового излучения. Тепловые лучи, идущие от нагретых поверхностей, представляют собой, как уже было отмечено ранее, электромагнитные волны, тождественные по своей природе видимому свету, радиоволнам и др. Электромагнитные колебания различаются по длине волны . Ее измеряют в метрах (), микрометрах () или ангстремах (), причем известно, что . На рисунке 1.1 по данным [4] приведена классификация электромагнитных колебаний в зависимости от длины волны. Как видно из рисунка 1.1, тепловое излучение в основном приходится на инфракрасный участок спектра.



Рисунок 1.1 - Шкала электромагнитных излучений (температура излучения соответствует максимальной интенсивности излучения при данной длине волны)

Спектральная интенсивность излучения поверхности абсолютно черного тела , , или, , в зависимости от длины волны и обычного для помещений диапазона температур приведена на рисунке 1.2. Значения величины , приведенные на этом графике, соответствуют закону Планка. Тепловое излучение при достаточно низких температурах, характерных для поверхностей в помещении, захватывает сравнительно узкий участок длин волн и может рассматриваться как монохроматическое, т. е. состоящее из волн одинаковой длины. Учитывая близкую к параболической форму кривых, изображенных на рисунке 1.2, можно в качестве осредненной принимать длину волны , , соответствующую максимальной интенсивности излучения. Величина последней определяется по закону смещения Вина:

, , (1.1)

где - абсолютная температура поверхности тела, .

Рисунок 1.2 - Спектральная интенсивность излучения поверхности абсолютно черного тела, как функция длины волны при различных температурах

Например, при средней температуре поверхности тела или длина волны максимальной интенсивности теплового излучения, согласно формуле (1.1), составит:

.

Полученное значение подтверждает график на рисунке 1.2.

Замена полихроматического излучения монохроматическим есть первое возможное упрощение в расчете теплового излучения поверхностей ограждений зданий и сооружений. По графику на рисунке 1.2 для абсолютно черного тела с произвольной температурой можно определить интенсивность теплового излучения , соответствующую определенному участку длин волн, который лежит в интервале от до .

Интенсивность теплового излучения нагретой поверхности для всего спектра длин волн может быть определена интегрированием зависимости, графики которых приведены на рисунке 1.2. Величина интегральной интенсивности излучения определяется законом Стефана-Больцмана:

, ,(1.2)

где - коэффициент излучения абсолютно черного тела, .

Зависимость , , или, , от температуры поверхности тела в соответствии с формулой (1.2) показана на рисунке 1.3.

Поверхности в помещении являются серыми телами. В отличие от абсолютно черных серые тела при тех же температурах излучают меньше тепловой энергии и падающий на них лучистый поток полностью ими не поглощается, а частично отражается (закон Кирхгофа). Между строительными материалами - проводниками и диэлектриками имеется существенное различие в радиационных свойствах по отношению к инфракрасному излучению. Проводники отражают, а диэлектрики поглощают большую часть падающего на них инфракрасного излучения. В то же время в соответствии с законом Кирхгофа, согласно которому коэффициенты излучения и поглощения монохроматического излучения поверхностью материалов равны, первые излучают меньше тепловой энергии, чем вторые. Коэффициент излучения поверхности серого тела всегда меньше из формулы (1.2). Между ними существует зависимость:

, (1.3)

где - степень черноты, или относительный коэффициент излучения поверхности. Для серой поверхности всегда меньше единицы.

Рисунок 1.3 - Интенсивность интегрального излучения абсолютно черного тела в зависимости от температуры поверхности

В приложении 1 приведены значения степени черноты поверхности различных материалов по справочным данным [4].

Интенсивность интегрального излучения серой поверхности равна:

, . (1.4)

Свойства поглощения и отражения зависят не только от вида материала, но и от состояния поверхности, ее температуры, длин волн излучения и угла направления излучения к поверхности. На рисунке 1.4 приведен график зависимости относительных коэффициентов поглощения и отражения некоторых материалов от температуры источника падающего излучения.

Рисунок 1.4 - Отражательная и поглощательная способности материалов в зависимости от температуры источника (абсолютно черного тела) падающего излучения:

1 - бумага; 2 - дерево; 3 - материал одежды; 4 - линолеум (красно-коричневый); 5 - штукатурка; 6 - красный кирпич; 7 - шиферные плиты; 8 - кафель белый; 9 - керамическая плитка; 10 - бетон

Из геометрических соображений непосредственно вытекает положение, что плотность излучения, исходящего из точечного источника света, убывает пропорционально квадрату расстояния от источника (так как, распространяясь, оно [излучение] распределяется по концентрическим сферическим поверхностям). Этот закон был установлен И. Ламбертом в 1760 г., после того как он был высказан Иоганном Кеплером (1571-1630) еще в 1604 г.

Под законом Ламберта чаще всего понимают следующее положение [5]: количество энергии, испускаемое диффузно излучающей поверхностью в каком-нибудь направлении, пропорционально косинусу угла между направлением луча и нормалью к поверхности. Для поверхностей строительных материалов эти отклонения невелики. Излучение металлов (проводников) сильнее под большим углом к поверхности (исключая углы, близкие к ); для диэлектриков имеет место обратное явление.

Воздух помещения при расчете лучистого теплообмена между поверхностями можно считать диатермичной средой [4]. Он состоит в основном из двухатомных газов (азот, кислород), которые совершенно прозрачны для тепловых лучей и сами не излучают тепловой энергии. Незначительное содержание многоатомных газов (водяной пар и углекислота) при малых толщинах слоя воздуха в помещении практически не изменяет этого свойства.

1.3 Теплообмен излучением между двумя телами

Каждая поверхность отдает теплоту излучением и поглощает поток лучистой энергии, приходящей от окружающих поверхностей. Нагретые поверхности теряют больше теплоты, чем поглощают. Более холодные, наоборот, получают больше тепловой энергии, чем отдают. Между различно нагретыми поверхностями в результате происходит теплообмен излучением [4, 6].

Рассмотрим теплообмен излучением между двумя абсолютно черными поверхностями 1 и 2 (рисунок 1.5). В соответствии с законом Стефана-Больцмана, элементарная площадка на поверхности 1 излучает во все направления в пределах полусферы количество теплоты, равное:

(1.5)

Рисунок 1.5 - Теплообмен излучением между двумя поверхностями

Интенсивность излучения в направлении, нормальном к поверхности , по закону Ламберта в раз меньше , т. е.:

(1.6)

Интенсивность излучения под углом к нормали (в направлении к элементарной площадке ) по закону Ламберта равна:

(1.7)

В пределах телесного угла излучение теплоты равно:

тепловизор жилой диагностика

(1.8)

Телесный угол , определяемый , равен:

(1.9)

где - проекция площадки на сферу радиусом с центром в площадке , когда угол между направлением излучения и нормалью к поверхности равен ;

- расстояние между элементарными площадками и .

Тогда уравнение (1.8) можно записать в виде:

(1.10)

Уравнение, аналогичное (1.10), может быть написано для потока теплоты , передаваемого площадкой в сторону . Предполагается, что поверхности абсолютно черные, поэтому вся теплота излучения ими поглощается. В результате лучистого теплообмена от площадки передается площадке количество теплоты, равное:

(1.11)

Удобно воспользоваться понятием коэффициента облученности, который является геометрической характеристикой. Коэффициент облученности с площадки на площадку обозначим .

Он равен отношению лучистого потока , падающего с на , ко всему тепловому потоку , излучаемому по уравнению (1.5), т. е.:

(1.12)

Подставим значение из выражения (1.12) в формулу (1.11) и получим:

(1.13)

Теплообмен излучением между двумя поверхностями 1 и 2, полные площади которых равны и , можно получить двойным интегрированием уравнения (1.13) по площадям и .

Первое интегрирование дает значение количества теплоты, теряемого с элементарной площадки в сторону всей площади :

(1.14)

где - коэффициент облученности с элементарной площадки на всю поверхность 2, равный:

(1.15)

Второе интегрирование определит общее количество тепловой энергии, передаваемое излучением с поверхности 1 на поверхность 2:

, ,(1.16)

где - коэффициент облученности с поверхности 1 на поверхность 2:

(1.17)

который показывает долю лучистого потока, попадающего на поверхность 2, от всего потока, излучаемого поверхностью 1.

Для определения коэффициента облученности при двух наиболее характерных случаях расположения поверхностей в помещении пользуются графиками, которые представлены на рисунках 1.6 и 1.7.

Рисунок 1.6 - Коэффициент облученности с поверхности на поверхность, расположенной в параллельной плоскости



Рисунок 1.7 - Коэффициент облученности с поверхности на поверхность, расположенной в перпендикулярной плоскости

На практике поверхности отличаются от абсолютно черных, что осложняет задачу, так как падающая на серую поверхность лучистая энергия частично отражается. Некоторая ее часть может многократно отражаться от взаимно облучаемых серых поверхностей, пока полностью ими не поглотится. Из теории лучистого теплообмена известно, что при теплообмене монохроматическим излучением двух серых поверхностей, для которых справедливы законы Ламберта и Кирхгофа, тепловой поток излучением определяется по формуле:

, .(1.18)

В этой формуле в отличие от (1.16) величина есть приведенный относительный коэффициент излучения при теплообмене между двумя серыми поверхностями. Для определения коэффициента в формуле (1.18) можно рассмотреть три простейших случая.

Первый случай. Для двух параллельных поверхностей, расстояние между которыми мало по сравнению с их размерами (коэффициент облученности , так как практически все излучение одной поверхности попадает на другую поверхность). Отраженные лучи полностью возвращаются на излучающую поверхность и так до полного поглощения. Приведенный относительный коэффициент излучения тогда будет равен:

(1.19)

где и - относительные коэффициенты излучения поверхностей. Для строительных материалов значения приведены в приложении 1.

Второй случай. Поверхность , , со всех сторон окружена другой поверхностью . Это сфера в сфере, цилиндр в цилиндре или просто невогнутая поверхность, окруженная большей поверхностью такой же геометрии:

(1.20)

Третий случай. Если поверхности малы или велико расстояние между ними, то часть отраженного излучения, возвращающаяся на излучающую поверхность, становится ничтожно малой. При таких условиях: .

2. ТЕПЛОВИЗОРЫ. ОСНОВНЫЕ ПРАВИЛА ПРОВЕДЕНИЯ ТЕПЛОВИЗИОННОГО ОБСЛЕДОВАНИЯ СТРОИТЕЛЬНОГО ОБЪЕКТА

2.1 Тепловизоры. Классификация тепловизоров

Тепловизоры - это устройства, предназначенные для наблюдения нагретых объектов по их собственному тепловому излучению. Они преобразуют невидимое глазом человека инфракрасное излучение в электрические сигналы, которые после усиления и автоматической обработки вновь преобразуются в видимое изображение объектов [2].

В отличие от изображений в видимой и ближней инфракрасной областях спектра, полученных за счет отраженного излучения объекта и различий в отражательной способности его элементов и отражающего фона, тепловые (инфракрасные) изображения создаются за счет собственного теплового излучения объекта и определяются различиями в температуре и излучательной способности его элементов и окружающего фона. Изменения температуры поверхности излучения объекта в определенной мере соответствуют деталям визуально наблюдаемой картины. Поэтому создаваемые тепловизором изображения в основном отвечают представлениям о форме и размерах рассматриваемых объектов и его отдельных участков.

Все приборы тепловизионного наблюдения по способу получения теплового изображения можно разделить на несканирующие и сканирующие.

К несканирующим тепловизорам относится эвапорограф, в котором разность температур рассматриваемого объекта и окружающего его фона преобразовывается в разность толщин масляной пленки, неравномерно испаряющейся в процессе нагрева (эвапорография - регистрация испарением).

В основу устройства эвапорографа были положены опыты Джона Гершеля (1792-1871), который использовал в 1840 г. для эвапорографии тонкую фильтровальную бумагу, смоченную спиртом и закопченную со стороны, обращенной к наблюдаемому объекту.

В эвапорографе Черни использовалось не испарение спирта, а возгонка нафталина и камфары. Во время второй мировой войны в Германии был создан усовершенствованный вариант эвапорографа Черни - EVA. Аналогичный прибор был построен в Кембридже (США) в 1950 г. В Советском Союзе сотрудниками ГОИ им. С.И. Вавилова был разработан эвапорограф ЭВ-84. Все эти конструкции эвапорографов принадлежали к классу несканирующих тепловизоров и не получили широкого применения из-за присущих им недостатков. Время, требуемое для получения изображения в эвапорографах, достигало десятков секунд; разрешающая способность по температуре составляла около .

Другим прибором, относящимся к классу несканирующих тепловизоров, является эджеограф. Принцип его действия основан на температурной зависимости длинноволновой границы полосы собственного поглощения некоторых материалов (например, селена): край полосы поглощения смещается при изменении температуры. Если через пленку селена пропускать монохроматическое излучение от вспомогательного источника с длиной волны, близкой к длинноволновой границе полосы поглощения, интенсивность прошедшего через пленку излучения будет зависеть от ее температуры. Это явление положено в основу устройства прибора, с помощью которого можно было наблюдать и фотографировать теплоизлучающие объекты. Эджеограф позволял фиксировать перепады температур порядка при разрешающей способности и постоянной времени [7].

В 40-е годы наметились две тенденции в развитии тепловизионных приборов. К первой группе приборов относятся тепловизоры, в которых для преобразования оптического сигнала инфракрасного диапазона в электрический сигнал используется принцип оптико-механического сканирования, а ко второй группе приборов - тепловизоры с электронным сканированием. В тепловизорах первого типа используются одноэлементные или многоэлементные инфракрасные приемники излучения мгновенного действия, а в тепловизорах второго типа в качестве приемников излучения используются инфракрасные видиконы, пириконы, а в настоящее время еще и матричные приемники излучения, так называемые фокальные матрицы, работающие в режиме накопления зарядов и основанные на различных физических принципах [8].

Идея создания сканирующих оптико-механических тепловизоров, в которых используются метод развертывающего преобразования, предложена советским ученым Федором Евгеньевичем Темниковым (1906-1993). В начале этого периода еще не были доведены до необходимой кондиции телевизионные передающие трубки, чувствительные в инфракрасной области спектра. Поэтому главное внимание было сосредоточено на разработке тепловизоров с оптико-механической системой сканирования. Одной из главных характеристик таких систем сканирования являлось время, необходимое для анализа теплового поля. С этой точки зрения оптико-механические системы сканирования условно классифицируют на три вида: низкоскоростные (время анализа поля более ), среднескоростные (от до ) и высокоскоростные (менее ).

Вначале разрабатывались тепловизоры с низкоскоростной и среднескоростной системами сканирования. Так, в Потсдамской астрофизической обсерватории был создан сканирующий тепловизор с болометром, во Франции - тепловизор с фоторезистором, в США - авиационный тепловизор для получения тепловых карт местности. Первый отечественный тепловизор среднего быстродействия был создан в ВЭИ имени В.И. Ленина. С 1960 г. начали разрабатываться тепловизоры с быстрой кадровой разверткой для самолетных систем переднего обзора и различных наземных применений. В зарубежной литературе такие приборы получили название FLIR (от первых букв английских слов Forward Looking Infra-Red - «инфракрасный прибор переднего обзора»).

Иначе выполнены тепловизоры с фотоэлектронной системой сканирования. Здесь изображение исследуемого теплового поля проецируется на фотокатод телевизионной передающей трубки, а затем «просматривается» электронным лучом, управляемым электрическим или магнитным полем. Несмотря на преимущества фотоэлектронной системы сканирования по сравнению с оптико-механической (в частности, возможность наблюдения быстро перемещающихся объектов), разработка тепловизоров с фотоэлектронной системой сканирования шла медленно. Причиной тому было отсутствие малогабаритных и высокочувствительных передающих телевизионных трубок, способных регистрировать собственное излучение низкотемпературных объектов.

Техника создания оптико-механических тепловизоров достигла высокой степени развития с разработкой одноэлементных и многоэлементных приемников излучения, имеющих чувствительность, близкую к теоретическому пределу, и малую инерционность. Малогабаритные криогенные устройства охлаждения приемников и постоянный прогресс в миниатюризации электроники обеспечили создание тепловизоров с небольшими габаритными размерами и малым потреблением мощности. В современных тепловизорах зарубежного производства применяют приемники излучения на основе теллурида кадмия и ртути, имеющие рабочий диапазон длин волн от до . Каждый приемник содержит несколько сотен чувствительных элементов и охлаждается до температуры адиабатическим микрохолодильником Джоуля-Томсона, работающим в замкнутом цикле рекуперации [1].

На рисунке 2.1 представлена одна из возможных схем классификации тепловизоров по конструкции и принципу работы.



Рисунок 2.1 - Классификация тепловизионных устройств

Очень часто тепловизоры разделяют на стационарные и портативные.

Стационарные тепловизионные устройства применяют на промышленных предприятиях для контроля за технологическими процессами в температурном диапазоне от до . Такие тепловизоры зачастую имеют азотное охлаждение, для того чтобы обеспечить нормальное функционирование приемной аппаратуры. Основу таких систем составляют, как правило, тепловизоры третьего поколения, собранные на матрицах полупроводниковых фотоприемников. Новейшие разработки в области применения тепловизоров на базе неохлаждаемых микроболометров из кремния, позволили отказаться от использования дорогостоящей и громоздкой охлаждающей аппаратуры. Эти приборы обладают всеми достоинствами своих предшественников, таких как малый шаг измеряемой температуры - , при этом позволяют применять тепловизоры в сложных оценочных работах, когда простота использования и портативность играют очень большую роль. Большинство портативных тепловизоров имеют возможность подключения к стационарным компьютерам или ноутбукам для оперативной обработки поступающих данных [9].

2.2 Технические характеристики современных тепловизоров

Современные тепловизоры (рисунок 2.2), необходимые для проведения бесконтактной термометрии строительных объектов, относятся к портативным оптико-механическим устройствам. Они не только воспроизводят тепловое изображение нагретых объектов, но и измеряют температурное поле исследуемого тела. Термограмма, полученная по результатам тепловизионной съемки, может быть в дальнейшем проанализирована и обработана в оперативной памяти самого прибора или в прикладном программном обеспечении [2].

Рассмотрим основные технические характеристики приборов тепловизионного наблюдения на примере тепловизоров фирмы Testo AG (Германия) [10], которые в первую очередь влияют на уровень сложности проведения тепловизионной съемки и качество полученных термограмм.

Размер детектора, , является основным техническим параметром тепловизора. Размер детектора указывает на количество тепловых точек, которые способен зарегистрировать тепловизор (рисунок 2.3). Чем больше количество пикселей, тем более детально и четко представлены объекты измерения на снимках. Инновационные технологии (например, SuperResolution) позволяют увеличивать текущее разрешение изображения в несколько раз (например, на или на ). Высокое качество изображения играет особенно важную роль, когда объект тепловизионного мониторинга находится в труднодоступном месте и съемка возможна только на большом расстоянии или при рассмотрении теплового состояния мельчайших деталей конструкций (при низком разрешении детектора они могут просто не попасть в поле зрение тепловизора).



Рисунок 2.2 - Современное тепловизионное оборудование (NEC H2640)

Запатентованное решение SuperResolution (рисунок 2.4) фирмы Testo AG основано на использовании эффекта естественного движения руки в качестве средства для быстрого создания серии последовательных снимков. С помощью технологии SR-алгоритма созданные четыре мгновенных тепловых изображения интегрируются в одну термограмму высочайшего качества.

Температурная чувствительность NETD, , характеризует измерительный прибор по регистрации самых незначительных перепадов температур, отображает малейшую разницу температур между двумя соседними точками, которую может распознать тепловизор. Чем меньше это значение, тем выше разрешающая способность тепловизора и тем лучше качество снимка. Тепловизоры, имеющие высокую температурную чувствительность и разрешающую способностью детектора, позволяют визуализировать малейшие перепады температур независимо от размеров объекта тепловизионного обследования.



Рисунок 2.3 - Вариации теплового изображения с различными расширениями

Диапазон измерения температур, , информирует о пределах температур, измеряемых и записываемых тепловизором.

Частота обновления кадров, , показывает сколько раз в секунду происходит обновление теплового изображения на дисплее прибора.

Размер объектива тепловизора (рисунок 2.5) играет роль в определении масштабов проводимых измерений. Широкоугольные (стандартные) объективы (например, размером ) позволяют сделать снимок большого участка и получить быстрый обзор распределения температур измеряемого объекта. Для обследования мелких деталей и предметов, находящихся на огромных расстояниях, служит сменный телеобъектив (например, размером ).

Рисунок 2.4 - Схема работы технологии SuperResolution

Фокусировка экрана является обязательным условием получения качественных результатов тепловизионной съемки. При измерениях с помощью тепловизоров Testo фокусировка на объекте может осуществляться тремя способами: вручную, посредством моторизированного фокуса или автофокуса.

Рисунок 2.5 - Объектив и его установка в тепловизор

К опциям-возможностям тепловизоров фирмы Testo можно отнести:

- технология SuperResolution (рассмотрена выше при описании детектора тепловизионного устройства);

- встроенная цифровая камера в тепловизоре выполняет автоматическое сохранение инфракрасного и реального изображений одновременно. Таким образом, пользователь прибора получает сведения, как по инфракрасному, так и по реальному снимку. Это очень удобная и эффективная опция, которая существенно сокращает время проведения тепловизионной съемки (особенно актуально в зимний период года) и позволяет составить отчет-протокол с согласованными реальными и тепловыми изображениями. При отсутствии этой опции, помимо прибора тепловизионного наблюдения, приходится использовать, как правило, фотоаппарат. Здесь же следует сказать пару слов о системе TwinPix (рисунок 2.6). Данная функция позволяет накладывать друг на друга реальное и тепловое изображения объекта путем установления характерных отметок на соответствующих реальных и инфракрасных снимках. Таким образом, в процессе проведения анализа результатов тепловизионного обследования наложение снимков позволяет с легкостью ориентироваться на элементах объекта и максимально точно установить и локализовать поврежденные участки. Установка уровней прозрачности регулирует интенсивность реального и инфракрасного снимков на совмещенном изображении. Критические диапазоны температур могут быть отмечены путем выбора предельных значений температуры и допустимого инфракрасного диапазона. Даже на реальном изображении проблемные области могут быть с точностью выделены, а температурный статус объекта измерения пластически отображен. Совмещенное путем наложения изображение может быть включено в отчет в целях документирования;

- технология измерения влажности расширяет технические возможности существующих тепловизоров, так как кроме обычных термограмм пользователь прибора может получить сведения об уровне влажности исследуемых поверхностей объекта, что крайне важно при обнаружении зон возможного образования конденсата и плесневых отложений. Для этого предварительно производятся замеры температуры и относительной влажности окружающего воздуха. Далее программная система устройства по заданным параметрам воздуха автоматически определяет температуру точки росы и проецирует полученное значение на температурное поле поверхности исследуемой области объекта. Участки изображения, в которых фактическая температура поверхности ниже точки росы, тепловизор выделяет красным цветом («зона повышенного риска»), а неповрежденные влагой - оттенками зеленого цвета;



Рисунок 2.6 - Применение системы TwinPix

- беспараллаксный лазерный целеуказатель является еще одной инновационной разработкой, который позволяет ориентироваться на объекте обследования. Проблема, которую позволяет избежать данная технология, связана с небольшим размером объектива и однородностью температурного поля поверхности объекта. Последнее приводит к тому, что пользователь тепловизора может «затеряться» при проведении тепловизионной съемки. Точка-ориентир зеркально отображает область замера, на которую наведен лазерный целеуказатель. Помимо этого на дисплее отображается точная температура точки, находящейся «под прицелом» лазерного целеуказателя;

- режим измерения «Солнечная энергия» используется при проведении диагностики фотоэлектрических систем. При недостаточно интенсивном солнечном свете получение качественной термограммы невозможно. При выполнении измерений в рассматриваемом режиме пользователь тепловизора предварительно выполняет измерения интенсивности солнечного излучения и заносит измеренную величину, как параметр тепловизионной съемки, непосредственно в тепловизор. Введенное значение сохраняется в памяти прибора.

Также к важным критериям выбора тепловизоров можно отнести: эргономичность устройства; интуитивное управление прибором; наличие защитных средств для уязвимых и дорогостоящих элементов тепловизора (например, защитный фильтр для объектива); качество исполнения и спектр функциональных возможностей прикладного программного обеспечения.

2.3 Основные правила проведения тепловизионного обследования строительного объекта

Одним из основных путей экономии топливно-энергетических ресурсов является уменьшение тепловых потерь через ограждающие конструкции строительных объектов, достигающих по некоторым данным от общих энергетических затрат. Поэтому крайне важно установить участки здания, через которые проходит максимальное количество теплоты в единицу времени с целью их последующей ликвидации. Это позволяет сделать тепловизионный контроль, основанный на применении приборов тепловизионного наблюдения.

Тепловизионный контроль качества строительных сооружений, благодаря своему неразрушающему воздействию, оперативности, наглядности и достоверности получаемых результатов, успел зарекомендовать себя как один из основных способов диагностики ограждающих конструкций по окончании строительства и в период эксплуатации строительного объекта. Согласно [11], теплотехническая диагностика, куда также может входить тепловизионный контроль элементов зданий и сооружений на различных этапах их строительства и эксплуатации, может включать в себя (рисунок 2.7):

- обнаружение скрытых дефектов строительства;

- определение частичных и общих тепловых потерь;

- определение (оценку) сопротивления теплопередаче ограждающих строительных конструкций.

Рисунок 2.7 - Возможности тепловизионного обследования

К основным задачам тепловизионной съемки можно отнести:

- обнаружение в ограждающих конструкциях здания мест с возможным нарушением тепловой изоляции и присутствием необоснованных (случайных) теплопроводных включений;

- нахождение мест, где возможна конденсация влаги и, как следствие, образование плесени (биокоррозия);

- обнаружение мест с интенсивной инфильтрацией наружного воздуха внутри отдельных помещений здания в связи с неплотностями наружных ограждающих конструкций и наличием микротрещин;

- выявление дефектов отопительных приборов, проложенных открыто (например, чугунно-секционные радиаторы) или под слоем строительного материала (например, змеевики в системе «теплый пол»);

- контроль качества установки оконных блоков и входных дверей;

- определение зон повышенной влажности строительных материалов;

- проведение теплотехнических расчетов (по результатам тепловизионного мониторинга объекта обследования).

Одним из ключевых факторов получения достоверных сведений о теплотехническом состоянии объекта контроля является соблюдение правил выполнения тепловизионной съемки строительного объекта. Тепловизирование здания с исполнением существующих предписаний позволит сократить трудовые и временные затраты и при этом получить качественные тепловые изображения, характеризующие тепловое состояние всей строительной системы. Рассмотрим некоторые нюансы организации и проведения тепловизирования объектов.

При обследованиях гражданских и производственных зданий в зависимости от рассматриваемых задач производятся измерения температуры газовых и жидкостных сред, сыпучих и твердых тел. Диапазон измерения температур варьируется от до . Для измерений температур используются контактные и бесконтактные термометры. К контактным относятся жидкостные и биметаллические термометры, электрические и полупроводниковые термометры сопротивления, термопары. К бесконтактным термометрам относятся инфракрасные термометры (пирометры), пиранометры, а также тепловизоры. Измерение температурного поля ограждающих конструкций производится тепловизорами различных модификаций [12].

При подготовке к тепловизионной диагностике должна быть изучена информация по объекту контроля (объемно-планировочные и конструктивные особенности здания, длительность и условия эксплуатации объекта, объем и характер проведенных ремонтных работ и т. п.). По итогам анализа технической документации должен быть составлен план тепловизионного обследования строительного объекта. Кроме того, важно предварительно получить сведения о погодных условиях (температуре и относительной влажности наружного воздуха, скорости и направлении ветра, интенсивности солнечной радиации) на момент проведения тепловизионной съемки здания.

Тепловизионные измерения производят при перепаде температур между наружным и внутренним воздухом (температурном напоре), превосходящим минимально допустимый перепад, определяемый по формуле [13]:

, ,(2.1)

где - предел температурной чувствительности тепловизора, ;

- проектное сопротивление теплопередаче, ;

- коэффициент теплоотдачи, принимаемый равным: для внутренней поверхности стен по нормативно-технической документации, например [14]; для наружной поверхности стен при скоростях ветра , и соответственно , и ;