Дипломная (вкр): Тепловизионное обследование квартиры в жилом доме средней этажности

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:

- 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.: