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

(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).