Nowoczesne narzêdzie. diagnostyki cieplnej Czêœæ 2. Materia³y, technologie. Termografia podczerwieni. w w w. s w i a t - s z k l a.

Transkrypt

1 Termografia podczerwieni Nowoczesne narzêdzie diagnostyki cieplnej Czêœæ 2 Jednym z zadań, jakie stoi przed sektorem budownictwa, mającego znaczący udział w łącznym zapotrzebowaniu na energię, jest poprawa charakterystyk energetycznych budynków poprzez poprawę izolacyjności przegród, modernizację systemów instalacji wewnętrznych oraz oszczędność i odzysk energii w każdym obiekcie, odpowiednio do jego przeznaczenia i zmiennych warunków eksploatacji. Aby sprostać tym wymaganiom konieczne jest nie tylko wprowadzanie coraz ostrzejszych norm oraz bardziej nowoczesnych technologii i materiałów w budownictwie, ale i prowadzenie bieżących przeglądów istniejących obiektów pod kątem identyfikacji źródeł strat i opracowywania propozycji niezbędnych zabiegów termomodernizacyjnych. Jednym z narzędzi, wspomagających te prace jest analiza termogramów uzyskiwanych na podstawie bezinwazyjnych badań obiektów z użyciem kamer termowizyjnych pracujących w zakresie podczerwieni. Techniki termografii i kamery termowizyjne Bezstykowy pomiar temperatur stanowił od szeregu lat poważny problem, zwłaszcza w przypadku trudno dostępnych miejsc, występujących zagrożeń bezpieczeństwa czy też niskiej rozdzielczości przyrządów pomiarowych oraz potrzeby wielopunktowej, ciągłej oceny zmian ich wartości. Bezsprzecznym krokiem milowym okazały się dopiero opracowanie nowoczesnych technik z zakresu termografii i termowizji. Termografia polega bowiem na pomiarze emitowanej przez ciało energii promieniowania cieplnego i określania na tej podstawie rozkładu temperatur jego powierzchni. Nowoczesna kamera termowizyjna pozwala identyfikować różnice w gradientach temperatur z bardzo wysoką precyzją (na poziomie setnych części stopnia). Pozwala tym samym określić niezauważalne inną metodą różnice struktury oraz strumienie (nie tylko cieplne) zarówno na powierzchni, jak i pod powierzchnią często pozornie jednorodnego materiału. Rys. 6. Przetwarzanie i rejestracja obrazu w kamerze termowizyjnej [6] W praktyce rozróżnia się metody termografii pasywnej i aktywnej. Pierwsza z nich jest bardziej popularna oraz częściej stosowana w powszechnej praktyce, gdyż nie powoduje ingerencji z zewnątrz (wyłącznie rejestracja stanu istniejącego). Druga z nich, wymaga zastosowania wzbudzenia sygnałem cieplnym lub np. akustycznym obiektu (np. impulsowo), a następnie wyznaczenie termogramów opisujących zmiany temperatury w zależności od czasu. Jej praktyczne aplikacje w zasadzie wykraczają poza typowe pomiary inżynierskie i są głównie związane z badaniami naukowymi. Aby przybliżyć choćby elementarne kwestie rejestracji obrazów w podczerwieni oraz pomiarów termowizyjnych należy nieco uwagi poświęcić budowie typowej kamery na podczerwień. Główne elementy standardowej kamery termowizyjnej (rys. 6) tworzą: detektor IR podczerwieni (lub zespół w postaci matrycy) z układem chłodzenia, układ optyczny (filtry i obiektyw), układ przetwarzania sygnału, tj. elektroniczne tory wzmocnienia i obróbki sygnału (analiza i rejestracja) oraz system jego wizualizacji (najczęściej monitor LCD). Sercem takiej kamery jest zastosowany układ detektorów podczerwieni. Poziom ich doskonałości zawsze był czynnikiem decydującym o jakość uzyskiwanych obrazów, możliwościach zastosowań, gabarytach i cenie. Zasadniczo detektory podczerwieni mogą być typu termicznego lub fotonowego (pojedyncze, liniowe bądź matrycowe). Z uwagi na istnienie dwu pasm dobrej przepuszczalności promieniowania przez okna atmosferyczne kamery LW i SW mają zazwyczaj innego typu detektory. Detektory termiczne stanowią w szczególności elementy bolometryczne lub pirometryczne, w których zmiana temperatury spowodowana zaabsorbowanym promieniowaniem generuje odpowiedni sygnał optyczny bądź elektryczny. Detektory foto-przewodzące to przede wszystkim elementy fotoemisyjne, fotodiody oraz tzw. detektory z kwantową studnią fotonową (QWIP), stosowane m.in. w zaawansowanych systemach badań przestrzeni kosmicznej. 62 w w w. s w i a t - s z k l a. p l 10/08

2 a) W wielu, szczególnie starszego typu kamerach termowizyjnych, detektory muszą być schładzane w celu zwiększenia ich czułości. Detektory takie (m.in. InSb lub MCT-HgCdTe), wymagały schładzania ich podczas pracy do temperatury około minus 200 o C. Realizowano to za pomocą ciekłego azotu (kriostatyczny pojemnik znajdujący się w kamerze). Parujący azot utrzymywał detektor we właściwej temperaturze przez ograniczony czas rzędu kilku minut. Innym sposobem było stosowanie do tego celu miniaturowych ziębiarek Stirlinga (z użyciem helu). Oba wspomniane rozwiązania okazały się w praktyce mało efektywne i rzadko są obecnie stosowane. Dzięki skonstruowaniu nowych typów detektorów o wyższej temperaturze pracy (-70 o C), do ich chłodzenia udało się zastosować ziębiarki termoelektryczne (efekt Peltiera). Najnowsze, powszechnie już wprowadzane, matrycowe termiczne detektory podczerwieni działają poprawnie nawet w temperaturze pokojowej (20 30 o C). Schładzanie matrycy służy w tym przypadku wyłącznie utrzymaniu optymalnych warunków cieplnych pracy układu (w tym mikroprocesorów, podobnie jak w zwykłym laptopie). Wraz z doskonaleniem detektorów promieniowania zmieniały się zasady generowania obrazu termowizyjnego. Jeszcze przed 10 laty, obraz termograficzny tworzono metodą skanowania za pomocą skomplikowanego układu mechanicznego. Kamera sekwencyjnie przeszukiwała całe pole badanego obszaru, a strumienie energii radiacyjnej z kolejnych wycinków badanej powierzchni po przejściu przez soczewkę padały na układ lustrzanych ścianek obracającego się wielościanu. Po odbiciu się od układu ruchomych luster padały następnie na punktowy detektor, który przetwarzał je na sygnał elektryczny o wartości proporcjonalnej do natężenia promieniowania. Konstrukcja układu zapewniała badanie punkt po punkcie (z odpowiednio dużą częstotliwością) Rys. 7. Budowa elementu detektora bolometrycznego [2, 6] (a struktura i wymiary, b schemat przetwarzania sygnału) b) obiektu widzianego w obiektywie. Innym stosowanym rozwiązaniem były układy z detektorami liniowymi, w których dla utworzenia obrazu przeszukiwanie odbywało się tylko jednokierunkowo (linia po linii). Współczesne detektory promieniowania podczerwonego, w jakie wyposażone są kamery termowizyjne, posiadają stałą dwuwymiarową (2D) matrycę składającą się z tzw. mikrobolometrów (rys. 7). Ich liczba i wymiary decydują o rozdzielczości i czułości kamery. Typowa matryca (FPA) w kamerze termowizyjnej zawiera zwykle 240x320 pojedynczych detektorów (pikseli). Obraz obiektu, padający na matrycę przez obiektyw zaopatrzony w odpowiedni filtr optyczny, powoduje wygenerowanie sygnału elektrycznego w każdym mikro-detektorze matrycy, który zasadniczo jest zależny od natężenia i długości fali padającego promieniowania (rys. 8). Sygnały te zbierane są z dużą częstotliwością przez układ odczytu i po ich elektronicznej obróbce służą do utworzenia obrazu termograficznego badanej powierzchni. Istotną zaletą tego typu kamer jest możliwość pracy w bardzo szerokim przedziale widmowym, a także w zasadzie brak konieczności chłodzenia. W detektorach tych rezystory bolometryczne (tj. elementy o małej pojemności cieplnej i dużej temperaturowej zmianie oporności), które są umieszczone w obwodzie miniaturowego mostka elektrycznego, wskutek absorpcji padającego promieniowania cieplnego o długości fali 8 14µm, zmieniają swą oporność. Mikromostek elektryczny zawiera cienką warstwę uszlachetnionego krzemu amorficznego, który spełnia rolę czujnika temperatury. Promieniowanie jest pochłaniane przez bardzo cienką napyloną warstewkę tlenku wanadu lub tytanu (rys. 7). Zdolność rozdzielcza tego typu elementów wynosi około 0,02 0,2 K. Informacje zbierane są w wyniku multipleksowania każdego piksela, a częstotliwość pracy dobierana odpowiednio do standardu sygnału (50 Hz w systemie PAL oraz 60 Hz dla NTSC), przy czasie odczytu 40 ms. W innych rozwiązaniach (np. kamery monitorujace), używane są detektory piroelektryczne, zbudowane z półprzewodników [2, 3]. Szybki rozwój technologii wytwarzania detektorów umożliwia stopniowe rozszerzanie zakresu pomiarowego urządzeń termowizyjnych, zarówno w kierunku wysokich, jak i niskich temperatur. Najnowsze rozwiązania (trzeciej generacji) pozwalają prowadzić pomiary za pomocą jednego urządzenia w zakresie temperatur o C. W obszarze wysokich temperatur stosuje się specjalne filtry optyczne, aby ograniczyć natężenie promieniowania, które przechodząc przez układ optyczny pada na detektor. W miarę rozszerzania zakresu pomiarowego poprawiana jest czułość termiczna urządzeń termowizyjnych. Przy standardowej tempera- a) b) Rys. 8. a) zasada rejestracji obrazu, b) matryca bolometryczna FPA, [6] Rys. 9. Budowa pojedynczego piksela matrycy QWIP o rozmiarach µm, [1] 10/08 w w w. s w i a t - s z k l a. p l 63

3 Rys. 10. Wpływ detektora na parametr czułości kamer termowizyjnych D* [6] (materiał detektora: InAs arsenek indu, PbSe selenek ołowiu, itd.) turze odniesienia (30 o C), dla powszechnie dostępnych na rynku kamer wynosi ona średnio 0,05 0,1 o C. Jej wartość limituje minimalną różnicę temperatur, jaką może wykryć detektor kamery termowizyjnej (kamery specjalnego przeznaczenia posiadają czułość 0,02 0,05 stopnia). Najnowsze systemy, używane w badaniach naukowych, posiadają odpowiednio stabilizowane termicznie kwantowe detektory QWIP (rys. 9) o bardzo wysokiej czułości i matrycy powyżej pikseli. Korzystanie z kamery, która jest ciągle skomplikowanym i dość drogim urządzeniem wymaga odpowiedniego przygotowania specjalistycznego oraz znajomości kilku ważnych dla przewidywanych zastosowań parametrów technicznych. Takim ważnym wskaźnikiem, który określa zdolność detekcji promieniowania, jest tzw. znormalizowana gęstość widmowa D*. Wielkość ta charakteryzuje minimalny stosunek rejestrowanego sygnału termicznego do poziomu tzw. szumu (rys. 10). Jest ona odniesiona do pasma częstotliwości roboczych oraz powierzchni czynnej detektora w warunkach pomiaru jednostkowego strumienia promieniowania cieplnego [1, 2]: We wzorze (8.) oznaczono: A d powierzchnia czynna detektora, cm 2 ; Δf pasmo wykorzystywanych częstotliwości, Hz; NEP λ tzw. widmowa moc zastępcza sygnału szumu (tj. moc rejestrowanego promieniowania o długości fali λ, odpowiadająca sygnałowi równemu poziomowi szumu). Wskaźnik ten z oczywistych powodów powinien być możliwie wysoki i podawany jest zazwyczaj tylko w odniesieniu do najbardziej zaawansowanych konstrukcji o specjalnym przeznaczeniu. Jednocześnie dąży się do uzyskania scalonych detektorów, które zdolne byłyby jednocześnie wykrywać i rejestrować promieniowanie w dużym przedziale długości fal, zarówno w zakresie LW jak i SW [2,6]. Jak widać z rys. 10, dotyczącego czułości kamer pracujących w zakresie LW (2 5 µm), najwyższą wartość parametru czułości D* można zaobserwować na bazie związków rtęci kadmu i telluru oraz InGaAs. (8) Rys. 11. Błędy pomiaru temperatury w zależności od długości fali promieniowania [6] (błąd emisyjności przyjęto jako 10%) Biorąc pod uwagę typowe aplikacje techniczne, na dokładność pomiarów termowizyjnych duży wpływ mają przede wszystkim warunki ich realizacji oraz zakres długości fal, a tym samym i gęstości strumienia energii oraz temperatur. Na rys. 11 pokazano szacunkową ocenę błędu pomiarów temperatury za pomocą kamer termowizyjnych, w zależności od długości fali promieniowania. Jak widać, w miarę jej wzrostu dokładność pomiaru wyraźnie spada, natomiast wpływ samej temperatury nie jest już bardzo znaczący. Podane różnice w poziomie błędu pomiaru pokazują pewną przewagę kamer typy SW, które pracują w zakresie wyższych mocy strumieni energii cieplnej, bliżej zakresu światła widzialnego. Często nie zauważa się faktu, iż powierzchnia, na której określa się pole temperatur jest silnie zakrzywiona (np. zbiorniki lub rury), co wymaga odpowiedniej korekty wyników pomiaru. Co decyduje o wyborze kamery? Określenie prostych, w pełni jednoznacznych kryteriów wyboru typu oraz parametrów kamery termowizyjnej jest sprawą raczej złożoną. Ze względu na niezbyt łatwą ich jeszcze dostępność oraz wysoką cenę tych urządzeń (rzędu kilkudziesięciu tysięcy Euro), oprócz kosztu jej zakupu podstawowym kryterium przemawiającym na korzyść konkretnego sprzętu jest atut w postaci dostępnego w kraju fachowego serwisu i dobrego oprogramowania do obróbki termogramów. Ważnym argumentem okazuje się często możliwości rozszerzenia ich aplikacji poprzez oferowane dodatkowe wyposażenie (np. specjalne układy filtrów i soczewek zwiększające zakres rejestrowanych temperatur). Zazwyczaj konieczne są szkolenia organizowane przez doświadczonych specjalistów ze strony producenta oraz okresowa kalibracja kamery we wskazanym autoryzowanym punkcie. Jeszcze raz o aplikacjach przykładowe termogramy Zastosowanie kamer termowizyjnych w bezinwazyjnych metodach pomiarów, diagnostyki i badań staje się z roku na rok coraz bardziej 64 w w w. s w i a t - s z k l a. p l 10/08

4 Rys. 12. Mostki cieplne na elewacji ściany zewnętrznej [6] Rys. 16. Profil temperatur wzdłuż linii łamanej l1 pokazanej na rys. 14b Rys. 13. Fragment nawierzchni ulicy oraz jej termogram (uszkodzenie ciepłociągu) [6] Rys. 14. Blok mieszkalny przed i po ociepleniu [6] lokalizację niewidocznych wycieków i nieszczelności rur (np. z ciepłą wodą oraz C.O.), ocenę przeciążeń i uszkodzeń urządzeń i instalacji elektrycznych (wysoka oporność dla rozdzielni napięć, transformatorów, szafek, uszkodzonych bezpieczników, złączy, itp.), ocenę stanu oraz wad izolacji cieplnej kotłów, rurociągów, kanałów, elektrofiltrów (w ramach diagnostyki eksploatacyjnej i powykonawczej), lokalizację podziemnej sieci ciepłowniczej (inwentaryzacja i ocena stanu technicznego), wykrywanie nieszczelności instalacji gazów technicznych oraz gazu ziemnego, wskazanie wadliwie pracujących urządzeń mechanicznych (nadmierne przegrzanie), identyfikacja uszkodzeń wymurówki pieców i kominów, lokalizacja ognisk pożarów leśnych i innych zagrożeń, diagnostykę nowotworów i stanów zapalnych (medycyna, weterynaria), a ponadto w badaniach naukowych (astrofizyka, badania kosmosu) oraz wielu nowych technologiach, w których szczegółowa znajomość rozkładu temperatur może decydować o istotnych zjawiskach i procesach. Jak już o tym wspomniano, szczególnym obszarem zastosowań badań termowizyjnych jest badanie izolacyjności cieplnej budynków, przed i po ich termorenowacji. Jako metoda nieniszcząca i prosta Rys. 15. Fotografia (a) i termogram (b) ściany hali (w otoczeniu drzwi część ścian jeszcze nie ocieplona) powszechne i dostępne (spadek cen urządzeń wraz ze wzrostem ich jakości i możliwości pomiarowych) co pozwala m.in. na: wykrywanie wad technologicznych przegród budynków i błędów docieplania ścian, identyfikację mostków cieplnych, zawilgoceń, nadmiernej infiltracji powietrza, Rys. 17. Źle wykonana elewacja strefy ucieczki ciepła w pobliżu okien [6] 10/08 w w w. s w i a t - s z k l a. p l 65

5 Rys. 18. Gorący gejzer i jego termogram [6] w jakościowej interpretacji, techniki termowizji stanowią nowe i efektywne narzędzie diagnostyki w budownictwie. Z tego powodu do oceny jakości robót budowlanych winien wchodzić całkiem nowy etap: powykonawcza diagnostyka cieplna obiektu. Na podstawie zdjęć termowizyjnych dokonuje się oceny stanu i właściwości cieplnych izolacji poszczególnych przegród, w tym identyfikacji mostków cieplnych, czyli miejsc, których właściwości termoizolacyjne są gorsze niż pozostałej części przegrody, czemu towarzyszą znaczne straty ciepła z wnętrza budynku. Ich redukcja może zmniejszyć straty ciepła z budynku nawet o 20-30% [6]. Typowe przypadki występowania mostków cieplnych to w szczególności: naroża, nadproża i przewody spalinowe, połączenia stropów ze ścianami zewnętrznymi, połączenia ścian wewnętrznych z podłogą, połączenia ścian z dachem lub attyką, połączenia podwieszenia balkonów lub schodów, okna i drzwi montowane w ścianie zewnętrznej. Innym, niezwykle ważnym obszarem aplikacji kamery termowizyjnej jest wykrywanie wilgoci w budynkach. Jak wiadomo, obecność wody w porach materiału budowlanego obniża jego właściwości izolacyjne oraz poziom temperatury powierzchni ściany, dzięki czemu na termogramie można rozróżnić obszary zawilgoceń, określić ich zasięg, a nawet wskazać źródła pochodzenia. Takie badanie jest wyjątkowo przydatne przy wykrywaniu zawilgoceń i lokalizacji przecieków w płaskich stropodachach. Jednocześnie można w porę zapobiec powstawaniu różnego typu grzybów, które są bardzo szkodliwe dla zdrowia. Łatwo jest też tą metodą zlokalizować przebieg ukrytej w ścianie instalacji wodnej lub grzewczej, rur ogrzewania podłogowego, sprawdzić drożności kanałów i przewodów kominowych, itp. Jeśli chcemy planować prace remontowe, a w ramach audytu energetycznego przeprowadzić pomiary termowizyjne, należy pamiętać o kilku ważnych zasadach dotyczących realizacji pomiarów: warto jest je wcześnie zaplanować z rocznym nawet wyprzedzeniem, zaś do pomiarów najlepiej jest przystąpić w sezonie grzewczym (okres listopad-marzec), gdy temperatury zewnętrzne są stabilne i nie wyższe niż 5-10 o C, brak jest operacji słonecznej (wieczorem) oraz intensywnych opadów atmosferycznych, pomiary należy powtórzyć w przypadku wykonania prac termo-modernizacyjnych czy renowacyjnych w kolejnym sezonie grzewczym, najlepiej w podobnych warunkach, a także wykonać pomiary infiltracji powietrza, oprócz kamery warto dysponować dodatkowo dalmierzem i pirometrem laserowym, a gdy pomiary dotyczą zawilgoconych pomieszczeń wewnątrz budynku miernikiem poziomu wilgotności przegród, w praktyce wskazanym jest posiadanie na miejscu aparatu cyfrowego ze statywem (jeśli nie jest w wyposażeniu kamery) oraz laptopa z możliwością rejestracji i wstępnej obróbki zarejestrowanych danych. Na rys przedstawionych jest kilka barwnych termogramów, reprezentujących przykładowe przypadki oceny izolacyjności przegród zewnętrznych budynków za pomocą metod termowizyjnych. Ich opracowanie odbywa się z użyciem specjalistycznego oprogramowania, które jest dołączone przez producenta kamery termowizyjnej. Dzięki temu można podjąć decyzję dotyczącą wyboru koniecznych zabiegów termo-renowacyjnych, a także określić ich rezultat z punktu widzenia poprawy charakterystyki energetycznej budynku. Jan Górski AGH Literatura: [1] Minkina, W.A.; Rutkowski, P.; Wild, W.: Podstawy pomiarów termowizyjnych. Pomiary, Automatyka Kontrola, Vol. 46 (2000), Nr.1, s [2] Praca zbiorowa, Madura, H. (red.): Pomiary termowizyjne w praktyce. Agenda Wydawnicza PAK-u, Warszawa, [3] Minkina, W.: Pomiary termowizyjne Przyrządy i metody. Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa, [4] Griffith, B.; Türler, D.; H. Goudey: Infrared Thermographic Systems. Lawrence Berkeley Nat. Lab., Berkeley CA, 2001, btech.lbl.gov/papers/46590.pdf [5] Oliferuk, W.: Termografia podczerwieni w nieniszczących badaniach materiałów i urządzeń. Wyd. Biuro Gamma, Warszawa, [6] strony internetowe: thermo.p.lodz. pl/, www. infraredinstitute.com/ 66 w w w. s w i a t - s z k l a. p l 10/08

6 '-*3 TFSJB 1 '-*3 J Rozdzielczość obrazu termowizyjnego - 640x480 pikseli Picture in Picture (obraz w obrazie) Wbudowana kamera dzienna z rozdzielczością 3.2 megapiksela Algorytm optymalizacji kontrastu DDE Zintegrowany odbiornik GPS 1S[FETUBXJDJFMTUXP '-*3 4ZTUFNT "# VM ;JNPXB /PXB *XJD[OB 1JBTFD[OP UFM EP GBY F NBJM SVULPXTLJ!ÚJS DPN QM XXX ÚJS DPN QM Rozdzielczość obrazu termowizyjnego 140x140 pikseli Wbudowany aparat cyfrowy z rozdzielczością 2.3 megapiksela Dwa silne reflektory do oświetlania obiektów w zaciemnionych miejscach Picture in Picture (obraz w obrazie) ZOBACZ PRZYSZŁOŚĆ NOW OŚĆ Bater ia Tylko na 5 god z. 600g '-*3 TFSJB 5 Rozdzielczość obrazu termowizyjnego - 320x240 pikseli (lub mniejsza w zależnoci od modelu) ThermaFusion - nakłada obraz termowizyjny na obraz widzialny Ekran dotykowy Picture in Picture (obraz w obrazie) Uchylny obiektyw 10/