Termowizja. Termografia. Termografia

Transkrypt

1 Termowizja Energia w budynku Z czego wynika rozpraszanie energii z budynku? oziębianie elementów konstrukcji budynku (opór na przenikanie ciepła) bezpośrednia wymiana powietrza (szczelność) Termografia bezstykowa metoda obrazowania rozkładów temperatury jest metodą badawczą polegającą na detekcji, rejestracji i wizualizacji promieniowania podczerwonego obrazy termalne (termogramy) są wynikiem pomiaru temperatury wykonanego na podstawie detekcji promieniowania IR emitowanego z powierzchni obiektu dwuwymiarowe odwzorowanie rozkładu temperatury w punktach badanej powierzchni Termografia 1800 r. dr W.F. Herschel odkrył niewidzialne widmo termometryczne termin podczerwień pojawia się dopiero od 1875 r. początek XX w. znaleziono praktyczne zastosowanie (militaria) lata 50-te XX w. udostępnienie urządzeń do obrazowania termicznego dla celów cywilnych pierwsze zastosowanie w Polsce termografii w podczerwieni ok.35 lat temu z kamerą termowizyjną AGA 680 LW Termografia elektromagnetyczne Widmo i rodzaje promieniowania elektromagnetycznego 1: promieniowanie Roentgena; 2: UV; 3: światło widzialne; 4: podczerwień; 5: mikrofale; 6: fale radiowe. Podczerwień: bliska podczerwień (ang. near infrared NIR), 0,7-5 μm średnia podczerwień (ang. mid infrared MIR), 5-30 μm daleka podczerwień (ang. far infrared FIR), μm Widmo promieniowania cieplnego obejmuje zakres promieniowania optycznego UV, światło widzialne i podczerwień (0,7 do 100 μm) 1

2 każde ciało jest źródłem promieniowania cieplnego! PROMIENIOWANIE CIEPLNE przepływ Czy ciepła każde z budynku ciało wypromieniowuje detekcja promieniowania energię w celu tak samo????? do otoczenia pomiaru temperatury obiektu mechanizmy wymiany ciepła? mechanizm do przebiegu którego nie jest niezbędna materia przenosząca energię przy wypełnieniu przestrzeni pomiędzy ciałami przez dowolny ośrodek, w ośrodku tym ze względu na emisję i absorpcję ciał mogą zachodzić zjawiska odbicie (ρ) promieniowania od ośrodka przenoszenie/ transmisja (τ) promieniowania przez ośrodek absorpcja/pochłanianie (α) promieniowania przez molekuły ośrodka ρ + τ α Prawo promieniowania Kirchhoffa + = 1 Ciało doskonale czarne Współczynnik absorpcji = emisyjność! α =1 Prawo Stefana-Boltzmanna całkowita moc emitowana z jednostki powierzchni ciała doskonale czarnego Długość fali promieniowania, z którą dla danej temperatury ciała czarnego emitowana jest maksymalna moc (prawo przesunięć Wiena) q 4 0 = σ 0T gdzie: σ 0 =5, W/(m 2 K 4 ) stała Stefana-Boltzmanna T temperatura ciała czarnego * λ maxt = gdzie: λ * max długość fali promieniowania [μm] przy której występuje maksimum emitowanej mocy 2

3 T < 500 o C zakres promieniowania podczerwonego T > 500 o C część promieniowania leży w zakresie promieniowania widzialnego czarnopurpurowa brunatnopurpurowa purpurowa ciemnokarminowa karminowa karminowopomarańczowa ciemnopomarańczowa pomarańczowa żółtopomarańczowa żółta białożółta ciało rzeczywiste absorbuje i emituje mniej energii cieplnej niż hipotetyczne ciało czarne! emisyjność stosunek mocy promieniowania ciała rzeczywistego do mocy promieniowania ciała czarnego emisyjność ciało czarne: ε=1 ciało szare: 0<ε<1, ε stałe dla różnych λ ε = ciało nieszare: 0<ε<1, ε różne dla różnych λ W praktyce większość obiektów przyjmowana jest jako ciała szare q q 0 Emisyjność zależy od: rodzaju materiału wykończenia powierzchni (polerowana, utleniona) geometrii powierzchni temperatury materiału długości fali obserwacji kąta obserwacji. emisyjność powierzchni obiektu ε=0,90±0,05 w przypadku większości materiałów budowlanych ε=0,94 ε=0,90 ε=0,85 ε=0,94 ε=0,54 ε=0,85 ε=0,89 ε=0,94 ε=0,88 beton cegła zwykła cegła szamotowa mur ceglany cement drewno deski bitum farba olejna gips ε=0,91 glina ε=0,94 grunty (inne) ε=0,97 lód ε=0,95 kauczuk ε=0,92 papa ε=0,90 papier biały ε=0,76 piasek ε=0,83 piaskowiec ε=0,92 szkło emisyjność powierzchni obiektu Uwaga! ε=0,07 aluminium ε=0,10 chrom ε=0,20 cynk ε=0,07 miedź ε=0,65 miedź utleniona ε=0,05 nikiel ε=0,23 żelazo ε=0,56 stal walcowana bezpośrednie porównywanie temperatur na termogramie jest możliwe tylko dla tych samych materiałów 3

4 Radiometryczne pomiary temperatury budynków Urządzenia do detekcji promieniowania IR rozszerzają zdolność ludzkiego widzenia na pasmo IR (podczerwone) sygnały minimalnej wielkości znaczne odległości umożliwiają widzenie w niesprzyjających warunkach atmosferycznych Urządzenia optoelektroniczne (OE) aktywne / pasywne systemy termograficzne systemy obserwacyjne systemy radiometryczne (radiometr punktowy pirometr) Radiometryczne pomiary temperatury budynków Działanie kamery termowizyjnej obserwacja rozkładu temperatury na powierzchni badanych obiektów jest możliwa dzięki mocy promieniowania ciał, zależnej od ich temperatury i właściwości emisyjnych promieniowanie IR transmitowane jest na drodze optycznej przez atmosferę lub próżnię, do układu optycznego radiometru, które ogniskuje je na swoim detektorze detektor radiometru odbiera energię emitowaną z powierzchni i tworzy proporcjonalnie do mocy odbieranego promieniowania sygnał elektryczny, skalowany w jednostkach temperatury Termografia zalety i możliwości Zalety pomiaru temperatury za pomocą detekcji emitowanego lub odbitego promieniowania podczerwonego z powierzchni obiektu brak kontaktu obiektu z układem detekcyjnym (duże odległości) brak oddziaływania na badany obiekt przez układ detekcyjny umieszczony w znacznej odległości od badanego obiektu szybkość pomiaru rozkładu intensywności promieniowania podczerwonego wykonywanych w czasie rzeczywistym możliwość detekcji promieniowania z całej badanej powierzchni ALE! pomiary radiometryczne mogą być mało efektywne (warunki wykonywania), obarczone znacznym błędem lub w ogóle niemożliwe do przeprowadzenia Termografia zalety i możliwości Radiometry do detekcji promieniowania podczerwonego mogą być stosowane w następujących problemach pomiarowych badanie dwuwymiarowego rozkładu temperatury powierzchni obiektu wykrywanie odstępstw od prawidłowych warunków termicznych określanie temperatury w dużej liczbie punktów badanej powierzchni badanie rozkładu temperatury trudnodostępnej powierzchni obiektu badanie rozkładu temperatury na powierzchni obiektu będącego w ruchu badanie szybkozmiennego rozkładu temperatury na powierzchni obiektu badanie temperatury powierzchni obiektów bardzo małych i kruchych kontrola procesów technologicznych sterowanie procesem schładzania / ogrzewania na podstawie aktualnego pomiaru temperatury Termografia zalety i możliwości Obrazowanie rozkładu temperatury na obudowie budynku może służyć do detekcji niejednorodności cieplnych wynikających z: defektów izolacji, zawilgocenia materiałów budowlanych, przepływu powietrza w komponentach tworzących obudowę budynku. Termografia ma zastosowanie przy wstępnej identyfikacji zmian właściwości cieplnych komponentów tworzących obudowę budynku, włączając szczelność na przenikanie powietrza. Do ilościowego określania izolacyjności cieplnej oraz szczelności konstrukcji stosuje się inne metody. 4

5 Wady, ograniczenia i źródła błędów metody Czynniki wpływające na pomiary radiometryczne odległość połączona z gabarytami obiektu cechy promienne obiektu Wady, ograniczenia i źródła błędów metody Czynniki wpływające na pomiary radiometryczne warunki pracy obiektu Wady, ograniczenia i źródła błędów metody Czynniki wpływające na pomiary radiometryczne Straty energii (osłabienie impulsu) wynikające z zawartości pary wodnej w powietrzu zawartość cząstek rozpraszających w powietrzu absorpcji promieniowania przez atmosferę (tłumienie selektywne) Wady, ograniczenia i źródła błędów metody Czynniki wpływające na pomiary radiometryczne Wpływ otoczenia na obiekt zmienność temperatury powierzchni pod wpływem otoczenia promieniowanie dyfuzyjne otoczenia uwzględniane jest przez przyjęcie temperatury radiacyjnej otoczenia nie rozważa się promieniowania bezpośredniego źródła (Słońce) jako zakłócającego pomiar Wady, ograniczenia i źródła błędów metody Czynniki wpływające na pomiary radiometryczne zmienność temperatury powierzchni pod wpływem otoczenia Wady, ograniczenia i źródła błędów metody Czynniki wpływające na pomiary radiometryczne odbicia 5

6 Warunki wykonywania pomiarów termograficznych Obrazowanie termalne wykonuje się głównie w godzinach nocnych lub wieczornych przy całkowitym zachmurzeniu po minimum 8 godz. od ustania bezpośredniego promieniowania słonecznego na badaną przegrodę oraz co najmniej 4 godz. po zachodzie Słońca prędkość wiatru poniżej 25 km/h minimalny gradient temperatury w obrazowanej przegrodzie: 15 0 C (zachowanie kontrastu termicznego) interpretacja termogramów termogramy wykonywane z zewnątrz budynku Interpretacja 6

7 7

8 interpretacja termogramów termogramy wykonywane z wnętrza budynku Interpretacja 8

9 T.min: 13,9 C 25,0 C 24 19,4 C ,0 C 22 T.min.: 5,6 C ,0 C ,0 C 13,8 C 9

10 T.min.: -0,8 C 20,0 C 20 17,7 C 23,3 C ,0 C Pomiary termowizyjne Uwagi końcowe pozwalają zlokalizować występujące wady budynku, wpływające na miejscowe zwiększenie strat ciepła, pozwalają na identyfikację występowania miejscowych przedmuchów zimnego powietrza zewnętrznego powodujących miejscowe wychłodzenie badanych przegród, umożliwiają lokalizację wewnątrz tynku rur z ciepłą i zimną wodą, pozwalają na określenie strat ciepła z urządzeń energetycznych i lokalizacji ich występowania, badania termowizyjne mogą służyć ocenie stanu technicznego przed remontem, a także mogą służyć ocenie jakości wykonanej naprawy remontowej, pomiary termowizyjne znajdują zastosowanie w obszarach wykrywania i eliminacji miejsc o nieuzasadnionych stratach ciepła. Radiometr punktowy Pirometr nieskanujący radiometr mierzący temperaturę wokół jednego punktu powierzchni Pirometr TESTO 830-T1 Pirometr TESTO 845 Radiometr punktowy α Szacowanie wartości współczynnika U przegroda o znanym układzie warstw materiałowych ϑ = t U ( t t ) R x i i e x Pomiar prawidłowy Pomiar nieprawidłowy Kąt widzenia α Współczynnik odległościowy d/d d odległość pirometru od obiektu D minimalna średnica obiektu przegroda o nieznanym układzie warstw materiałowych t ϑ U = R t ) i i si ( ti e e t e U = ϑ R t t ) se ( i e 10

11 Szacowanie wartości współczynnika U 11