TERMOGRAFIA W PODCZERWIENI

Transkrypt

1 TERMOGRAFIA W PODCZERWIENI Materiały szkoleniowe mgr inż. Sławomir Dobrowolski Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska Politechnika Gdańska Polska Szkoła Termograficzna Gdańsk, czerwiec

2 1 Wstęp Izolacyjność cieplna ścian zewnętrznych jest elementem składowym stanu technicznego budynku. Można ją określać różnymi metodami. Najprostsza z nich polega na obliczeniowej analizie izolacyjności cieplnej przegród wykonywanej na podstawie danych zawartych w projekcie technicznym oraz danych literaturowych. Metoda ta, zdająca egzamin na etapie projektowania budynku, nie sprawdza się jednak w czasie jego eksploatacji. Parametry materiałowe podawane w literaturze są wartościami średnimi, a metody obliczeniowe najczęściej zakładają niezbyt precyzyjnie określony poziom warunków eksploatacji. W rzeczywistości struktura przegród budowlanych jak i właściwości materiałów mogą różnić się w znaczący sposób od przyjętych w założeniach projektowych. Przykładem może być współczynnik przewodności cieplnej pewnego materiału budowlanego, uważanego (niesłusznie) za jeden z lepszych materiałów konstrukcyjnych pod względem przewodności cieplnej. Tymczasem już niewielkie zawilgocenie tego materiału (około 2%) powoduje wzrost współczynnika przewodności cieplnej o ponad 50%. Metody obliczeniowe nie są w stanie wykazać wpływu stanu materiałów przegrody na ich izolacyjność cieplną. Podobnie nie sposób ocenić metodami obliczeniowymi jakości wykonanych robót budowlanych. Z tych względów niezbędne jest stosowanie poligonowych metod określania strat ciepła przez przegrody. Można dodatkowo posłużyć się metodami komputerowej symulacji przepływu ciepła, ale obliczenia muszą być poparte wynikami badań stanu rzeczywistego. 2 Metody badania izolacyjności cieplnej Ogólnie metody badania izolacyjności cieplnej przegród można podzielić na dwie grupy: kontaktowe: - polegające na pomiarze gęstości strumienia ciepła przenikającego przez przegrody (np. metoda ścianki porównawczej), - polegające na punktowym pomiarze temperatur na powierzchniach przegród; niekontaktowe (radiometryczne). 2.1 Metody kontaktowe W metodach pomiaru gęstości strumienia ciepła na powierzchniach badanych przegród umieszcza się tzw. ścianki porównawcze zawierające mierniki gęstości strumienia ciepła, umożliwiające pomiar ilości ciepła traconego przez przegrodę. Na tej podstawie określa się rzeczywistą oporność cieplną przegrody. Metody te mają jednak ograniczenia, zawężające zakres ich stosowania do dużych, płaskich powierzchni poza mostkami cieplnymi. Na jakość pracy mierników mają wpływ zmienne parametry otoczenia, co ma istotne znaczenie przy wymaganym długim czasie pomiaru. 2

3 W metodach punktowego pomiaru temperatur przyjmuje się określoną siatkę punktów pomiarowych, w których dokonuje się pomiaru temperatury powierzchni przegród. Pomiary takie można prowadzić za pomocą termopar, termometrów oporowych, półprzewodnikowych oraz pirometrów. Na podstawie rozkładu temperatur w punktach pomiarowych (pola temperatur) dokonuje się obliczeń oporności cieplnej przegrody. Metody stykowego pomiaru temperatury mają jednak wady. Zakładając siatkę pomiarową trudno jest ustalić odpowiednią gęstość punktów, poszczególne punkty mogą omijać miejscowe uszkodzenia izolacji cieplnej, a przede wszystkim nie można ocenić dokładnie strat ciepła w mostkach termicznych i innych, trudno dostępnych miejscach. Utrudnienia obu powyższych metod zostały usunięte po wprowadzeniu do techniki diagnostycznej bezstykowych metod pomiaru temperatur. 2.2 Metody niekontaktowe Niekontaktowe metody określania pól temperatur na powierzchni przegród wykorzystują zjawisko promieniowania elektromagnetycznego emitowanego w paśmie podczerwonym przez każde ciało o temperaturze powyżej zera bezwzględnego (-273 o C). Najbardziej popularną metodą bezstykowego pomiaru i rejestracji pól temperatur jest metoda termowizyjna wykorzystująca urządzenia zdolne do rejestrowania promieniowania elektromagnetycznego emitowanego przez powierzchnię ciała z pewnej odległości (nawet powyżej 100 m) i przekształcenia go w elektroniczny sygnał video. Sygnał podlega następnie wzmocnieniu i obróbce pozwalającej otrzymać obraz termograficzny obiektu mapę pola temperatur na jego powierzchni. Pole temperatur może być następnie szczegółowo analizowane numerycznie za pomocą programów komputerowych. Rys Termogramy ścian zewnętrznych budynków mieszkalnych a) uszkodzona izolacja cieplna ściany warstwowej, b) nieprawidłowo ocieplone wieńce i nadproża oraz straty ciepła przez nieocieploną ścianę piwnicy, c) straty ciepła przez ścianę jednowarstwową. 3

4 Rys Narożnik ścian zewnętrznych w mieszkaniu parterowym: a) zagrzybiony narożnik ścian, b) pole temperatur w narożniku, c) symulacja komputerowa pola temperatur występującego w warunkach normowych. Jak na powyższych rysunkach widać za pomocą metody termowizyjnej można w sposób szybki i jednoznaczny dokonać jakościową i ilościową ocenę pól temperatury na powierzchniach ścian, jak również rozpoznać przyczyny degradacji ścian. 3. Promieniowanie w termografii w podczerwieni - podstawowe pojęcia 3.1. Widmo Materia realnego świata nieprzerwanie wysyła i pochłania promieniowanie elektromagnetyczne. Przejściom elektronów między poziomami energetycznymi towarzyszy pochłanianie lub wysyłanie skwantowanej energii w postaci fotonów. Energia W takiego promieniowania zależy od długości fali i opisana może być zależnością: w której: h = 6, stała Plancka, [J s], c = prędkość światła, [m/s], λ długość fali, [m], ν = 1/λ liczba falowa, [cm -1 ], ν = c/λ częstotliwość, [Hz]. W zdalnych pomiarach temperatury wykorzystuje się promieniowanie widzialne i podczerwone. W obszarze widzialnym (0,4 0,76 µm) dokonywane są pomiary temperatur bardzo wysokich lub wysokich (powyżej ok. 770 K czyli ok. 500 C), natomiast rozpoznanie temperatury niższej 4

5 zarezerwowane jest dla podczerwieni. Widmo promieniowania podczerwonego, umownie zawarte pomiędzy λ = 0,76 µm a λ = 1000 µm (1 mm) może być emitowane w trojaki sposób: ciągły charakteryzujący się ciągłą zmianą mocy promienistej w funkcji długości fali (typowe promieniowanie ciał stałych, pasmowy gdzie emitowane jest promieniowanie o szerokości pasma λ (typowe dla gazów o cząsteczkach wieloatomowych oraz cieczy i niektórych ciał stałych poddanych dużym ciśnieniom), liniowy gdzie emitowane promieniowanie tworzy zbiór linii, z której każda odpowiada jednej długości fali λ (faktycznie zaś bardzo wąskiemu λ). Promieniowanie takie, typowe dla gazów o prostej budowie (np. wodór, tlen, azot, argon) z reguły jest termograficznie niemierzalne i ośrodki te, podobnie jak próżnia są traktowane jako nie absorbujące i nie emitujące (przezroczyste dla podczerwieni) Ciało doskonale czarne Rys Model ciała doskonale czarnego Ciało doskonale czarne (cdc) jest w technice rozumiane jako idealny wzorcowy promiennik o następujących cechach: 1. dla danej temperatury ma maksymalną emitancję promienistą, (ciała rzeczywiste mogą mieć tylko niższą), 2. w przestrzeni zamkniętej ścianami czarnymi charakteryzuje się izotropowością promieniowania, (brak kierunków uprzywilejowanych), 3. maksymalną emisyjnością dla każdej długości fali promieniowania i w każdym kierunku w porównaniu z innymi emiterami, 4. całkowita emitancja promieniowania jest funkcją tylko temperatury, 5. podstawowe parametry promieniowania ciała czarnego dla każdej temperatury, długości fali i kierunku promieniowania są zgodne z podstawowymi prawami promieniowania temperaturowego i są nazywane podstawowymi prawami emisji ciała czarnego. 5

6 Wzorcowe promienniki, techniczne ciała czarne, odgrywają podstawową rolę w termografii podczerwieni stosowanej dla celów pomiarowych. Są one zawsze jedynie pewnym przybliżeniem ciała doskonale czarnego. Promienniki wzorcowe wykorzystywane są w różny sposób. Typowe wartości osiąganych współczynników emisyjności ε dla wzorcowych promienników sięgają 0,97-0, Podstawowe prawa Prawo Plancka - pozwalające wyznaczyć widmowy rozkład monochromatycznej emitancji promienistej ciała czarnego (energia emitowana do półprzestrzeni przez jednostkową powierzchnię ciała). Rys Rozkład widmowy promieniowania wg wzoru Plancka Z prawa Plancka wynika, że: natężenie emitowanej energii wzrasta wraz z temperaturą dla każdej długości fali, wraz z obniżaniem temperatury zakres odpowiadający maksymalnej energii przesuwa się w kierunku fal dłuższych. (Oko ludzkie dopasowane jest do odbioru promieniowania Słońca - źródła bardzo wysokotemperaturowego bo ok K. Maksimum energii dla tej temperatury emitowane jest w paśmie 0,4-0,8 µm). Prawo przesunięć (przemieszczeń) Wiena - wynikające z przekształcenia wzoru Plancka pozwala wyznaczyć długość fali o maksymalnej emisji energii w zależności od temperatury promiennika. Długość fali, dla której natężenie promieniowania osiąga maksimum zależna jest od temperatury. Wzrostowi temperatury odpowiada skrócenie długości fali, dla której emitowana jest maksymalna 6

7 energia. Na rysunku wierzchołki krzywych przesuwają się w prawo wraz ze spadkiem temperatury. Prawo Stefana-Boltzmanna - określa zależność miedzy emitancją promienistą do półprzestrzeni ciała doskonale czarnego a temperaturą bezwzględną: w którym: σ_ = 5, [W m -2 K -4 ] - stała Stefana-Boltzmanna. Dla promienników rzeczywistych: w którym: ε_ współczynnik emisyjności. Emitancja ta wyznaczona jest dla całego pasma podczerwieni od λ 1 = 0 do λ 2 =. Prawo D'Lamberta (prawo cosinusów) mówi, że rozkład natężenia promieniowania ciała czarnego w kierunku tworzącym kąt α z normalną n do powierzchni promieniującej I(α,T) jest iloczynem natężenia promieniowania ciała czarnego w kierunku normalnym I n (T) i cosinusa kąta α: Źródło typu lambertowskiego ma powierzchnię o idealnie dyfuzyjnych cechach. Emisja energii z ciała o powierzchni dyfuzyjnej (w praktyce chropowatej, matowej o nierównościach porównywalnych z długością fali) dokonywana jest zgodnie z prawem cosinusów. Graficzną interpretację prawa D'Lamberta przedstawia rysunek

8 Rys Detekcja promieniowania w przestrzeni 4. Własności promienne ciał idealnych i rzeczywistych 4.1. Wprowadzenie Wymienione prawa promieniowania temperaturowego dotyczyły idealnego ciała o maksymalnej emitancji niezależnie od kierunku i długości fali. Współczynnik emisyjności ε ciała czarnego wynosi w tych warunkach zawsze "1". Ciało absorbuje całą padającą nań energię, nie odbija i nie przepuszcza promieniowania. Odstępstwa powierzchni od cech idealnego emitera, odbijacza (reflektora) czy transmitera określone są za pomocą tak zwanych współczynników emisyjności (absorpcji), odbijalności, przepuszczalności. Odpowiadają one stosunkowi odpowiednich wielkości promieniowania podczerwonego oddziaływującego z ciałem rzeczywistym w stosunku do oczekiwanego zachowania się ciała idealnego. Sumę własności promiennych ciała określa prawo Kirchhoffa: 8

9 Rys Prawo Kirchhoffa Emisyjność ciała rzeczywistego może zależeć od kierunku α w stosunku do normalnej do powierzchni tego ciała (ciało nie dyfuzyjne) oraz od długości fali λ, a także od szeregu cech opisujących stan powierzchni (temperatura, gładkość, typ powierzchni zewnętrznej rodzaj materiału). Wielofunkcyjne zależności dotyczą także odbijalności oraz przepuszczalności. Dane tego typu są czasem katalogowane. Nie ma jednak jednoznacznej definicji wyznaczania wartości tych parametrów, stąd w publikacjach różnych autorów mogą występować znaczne różnice. Większość obiektów zakwalifikowana może być do jednej z grup: promienniki szare" - tj. o emisyjności ε < 1 lecz stałej w paśmie czułości widmowej urządzenia, promienniki selektywne" - gdy ε < 1 i zależny jest od λ. Znajomość wartości ε ma bardzo istotne znaczenie szczególnie przy pomiarze temperatury. Dalszy, istotny w praktyce podział dotyczy zależności cech promiennych powierzchni obiektu od kąta α w stosunku do normalnej do badanej powierzchni. W przypadku gdy emisyjność ciała jest niezależna od kąta odchylenia w stosunku do normalnej do powierzchni źródło takie nazywamy ciałem dyfuzyjnym. 9

10 4.2. Emisyjność O cechach promiennych ciał stałych (nieprzezroczystych) w określonym paśmie podczerwieni decyduje warstwa powierzchniowa o grubości porównywalnej z długością fali. Ważnym parametrem stanu powierzchni jest jej chropowatość. Im powierzchnia rzeczywista jest bardziej chropowata tym jej emisyjność jest większa, ponieważ składa się z wnęk, które są przybliżeniem technicznego ciała doskonale czarnego. W literaturze problemu spotkać można następujące, różnicowane widmowo i kątowo typy emisyjności: 1. monochromatyczną (dla oznaczonej λ): w kierunku α, do półprzestrzeni, 2. całkowitą (w paśmie λ od 0 do ): w kierunku α, do półprzestrzeni, 3. efektywną" (wyznaczoną dla określonej charakterystyki widmowej urządzenia pomiarowego): w kierunku α, do półprzestrzeni, Z punktu widzenia potrzeb termografii najistotniejsze są dane możliwie wiernie opisujące: stan powierzchni, kierunek odbioru α oraz widmowe warunki detekcji (cechy widmowe kanału optycznego w atmosferze, cechy promienne otoczenia oraz cechy widmowe aparatury detekcyjnej). Szczególnego znaczenia nabierają w tych wypadkach badania na miejscu dla konkretnej powierzchni emitującej. Przy opieraniu się na danych literaturowych, należy wybrać wariant 3. tj. wartość współczynnika emisyjności wyznaczoną przy pomocy danego typu aparatury (głównie chodzi o przedział widmowy tzn. 3 do 5 czy 8 do 14 µm) i dla kierunku (kąta odchylenia od normalnej) zbliżonego do rzeczywiście zastosowanego Odbijalność Odbijalność opisywana współczynnikiem odbicia ρ określa zdolność granicy dwóch ośrodków (np. powierzchni ciała i powietrza) do odbicia promieniowania nań padającego. Dla potrzeb termografii istotna jest odbijalność średnia w paśmie detekcji urządzenia. W szczególnych przypadkach niezbędna będzie znajomość odbijalności selektywnej (monochromatycznej). Ponieważ w większości badań termograficznych i radiometrycznych 10

11 w podczerwieni badane są ciała nieprzepuszczalne, prace obliczeniowe upraszcza założenie, że zgodnie z prawem Kirchhoffa odbijalność jest dopełnieniem emisyjności do jedności: co stosowane musi być krytycznie i z rozwagą. Problem odbijalności w badaniach termograficznych w naturalny sposób nabiera wagi przy powierzchniach: błyszczących - o małym współczynniku emisyjności, mocno odchylonych od prostopadłości (powyżej 75 ), w otoczeniu których znajdują się źródła wysokotemperaturowe, które poddane są radiacyjnemu wpływowi zimnego nieba" (bezchmurnego) Przepuszczalność - transmitancja Przepuszczalność należy do cech promiennych materii szczególnie złożonych w swej naturze i opisie. Strumień promieniowania, padający na powierzchnię warstwy ciała przepuszczalnego (ciała stałego, płynu lub gazów) ulega częściowemu odbiciu na granicy dwóch ośrodków i wnika w ciało pod kątem zmienionym w zależności od współczynnika załamania. Strumień wnikający przechodząc przez ciało podlega pochłanianiu, rozpraszaniu i odbiciom przy każdej zmianie cech refrakcyjnych 1 ciała ( w tym także opuszczając omawiane ciało). Procesy te cechuje pewna zależność od długości fali przenoszonego promieniowania oraz od budowy i cech fizyko-chemicznych rozpatrywanego ośrodka. W zdalnych badaniach temperatury problem ten występuje poczynając już od układu optycznego i filtrów zainstalowanych w urządzeniu. Atmosfera w części zastosowań, (duże odległości) także musi być uwzględniana jako ośrodek o specyficznych cechach transmisji. Pewna grupa badań dotyczy obiektów częściowo przepuszczalnych takich jak np. folie, szkła, pokrycia cienkowarstwowe, gazy itp. Dla potrzeb takich badań wyznacza się kierunkową przepuszczalność dla ciał o określonej grubości, składzie, ciśnieniu i temperaturze. Badania współczynnika przepuszczalności τ ciał stałych i cieczy wykonuje się zwykle dla: płasko-równoległych płytek (warstw) badanego ciała, strumienia o określonej długości fali padającego prostopadle do płaszczyzny powierzchni badanej. W takich warunkach dla ciał stałych i ciekłych droga optyczna równa się grubości materiału, natomiast dla gazów stanowi iloczyn grubości warstwy i ich ciśnienia. Tabele i charakterystyki widmowe przepuszczalności typowych materiałów i cieczy częściowo dostępne są w literaturze. 1 Refrakcja zjawisko załamania fal na granicy dwóch ośrodków o różnych współczynnikach załamania 11

12 Szczególnego znaczenia nabierają sprawy transmisji okien", przez które urządzenie termograficzne odbiera promieniowanie obiektu. Takie sytuacje zachodzą, gdy obiekt znajduje się w próżni (okienka kwarcowe tylko termografia do 5 µm) lub atmosferze innych gazów (folie, szkło). Okna" takie mogą mieć temperaturę otoczenia i emisja własna jest zaniedbywalna. Mogą mieć też temperaturę zbliżoną do temperatury obiektu i emisja własna, obok transmisji, nabiera pierwszorzędnego znaczenia. Specyficzne własności selektywnego pochłaniania przez gazy powodują, że monochromatyczne współczynniki transmisji są silnie zależne od długości fali, a ich wartość (czasem nawet w wąskim paśmie detekcji urządzenia termograficznego) zmienia się od 0 do 1. Problem przepuszczalności promieniowania podczerwonego nabiera szczególnego znaczenia podczas wykonywania pomiarów z dużych odległości (dziesiątki i setki metrów). Należy bowiem uwzględnić specyficzne cechy promienne atmosfery ziemskiej cechującej się tłumieniem, rozpraszaniem, emisją własną oraz refrakcją. Kanał atmosfery często powoduje zmiany widmowych, przestrzennych i czasowych charakterystyk badanego promieniowania podczerwonego. Dla zwiększenia poziomu wiarygodności pomiarów z dużych odległości (zwykle ponad kilkaset metrów) dobierane są specjalne procedury badań i stosowane jest modelowanie wpływu atmosfery w procesie opracowania termogramów. W przypadku badań różnic temperatury zamiast ich wartości bezwzględnych zwłaszcza w przypadku niedużych różnic emisyjności badanych powierzchni wpływ atmosfery jest mniej widoczny Główne własności promienne - metale Ponieważ o cechach promiennych metali w dużym stopniu decyduje ich rodzaj i stan powierzchni, w interpretacjach termograficznych nie można bezkrytycznie korzystać z danych katalogowych. Zdalne badania temperatury metali należą do szczególnie złożonych. Większość metali ma powierzchnie o wysokiej odbijalności, a przy tym często jeszcze w specyficzny sposób zależnej kątowo. Z tych powodów szczególnego znaczenia nabierają badania testowe próbek materiału oraz doświadczenie interpretującego. Ogólnie, główne uzależnienia można scharakteryzować następująco: 1. od długości fali: emisyjność metali maleje ze wzrostem λ (osiąga wartości maksymalne w obszarze widzialnym lub nadfioletu), odbijalność metali wzrasta ze wzrostem λ. W rzeczywistości istnieją liczne odstępstwa od tych praw ogólnych i często emisyjność (zwłaszcza w wąskich wybranych pasmach) im nie podlega. W specjalistycznych badaniach konkretnego metalu niezbędne jest wyznaczenie aparaturowego" współczynnika emisyjności i jego związku z temperaturą. Pomocna jest analiza danych literaturowych np. Termophysical 12

13 Properties of Matter Vol.7 Thermal Radiative Properties - Metallic Elements and Alloys" Wyd : IFI / Plenum New York/Washington pod redakcją: Y.S. Toulukian, DP DeWitt, 2. od temperatury: gdy powierzchnie są czyste i nieutlenione ich emisyjność tylko nieznacznie wzrasta z temperaturą, a odbijalność maleje, powierzchnie metali pokryte zgorzelinami, utlenieniami mają wyższe emisyjności i niższe odbijalności, a wzrostowi temperatury towarzyszą przyrosty emisji wyższe niż bez tych pokryć, w początkowej fazie utleniania metali i starzenia się" ich powierzchni, własności promienne podlegają szczególnie silnym zmianom (zależnym od cech metalu i warunków utleniania), w punktach zmian strukturalnych (np. temp. Curie) występują niewielkie, skokowe zmiany cech promiennych. Pod względem cech promiennych stopy metali przyjmują własności pośrednie w stosunku do metali składowych Główne własności promienne - ciała stałe niemetaliczne Olbrzymia ilość materiałów niemetalicznych jest przyczyną wielkiego zróżnicowania cech promiennych materiałów tej grupy. Generalnie, odwrotnie w stosunku do metali ciała te wykazują: wyższe wartości emisyjności niż powierzchni metalicznych, niższe i mniej kierunkowo zależne odbijalności niż metale, wzrost emisyjności monochromatycznej wraz z długością fali (na ogół), odbijalność powierzchni malejącą wraz z długością fali (lecz mniej zależną od grubości cienkich warstw niż w przypadku metali), wpływ wzrostu temperatury na zmiany cech promiennych jest obserwowany zwykle dla znacznie niższych temperatur, zmiany te są często bardzo znaczne, emisyjność na ogół wówczas maleje, a odbijalność rośnie. Ciała krystaliczne - z powodu oddziaływań fal elektromagnetycznych z siatką krystaliczną mają często silnie zaznaczone - w zakresie podczerwieni - pasmowe własności promienne (np. pochłanianie lub rozpraszanie). Monokryształy i polikryształy szeregu pierwiastków i związków a także półprzewodników stanowią np. podstawowy materiał na dekodery promieniowania bądź elementy optyczne dla techniki podczerwieni. Na ogół materiały te cechuje wówczas brak lub znikoma przepuszczalność promieniowania widzialnego. Współczynnik emisyjności materiałów niemetalicznych zależy także od temperatury i od grubości. Do pomiarów temperatury powierzchni materiałów gorących stosuje się często badanie wielowidmowe, wąskopasmowe. Dla badań materiałów w niskich temperaturach stosuje się detekcję w paśmie długofalowym (lub filtry górnoprzepustowe dla pasma krótkofalowego). Tworzywa sztuczne. Olbrzymia liczba wiązań chemicznych jest przyczyną selektywnych i zróżnicowanych cech promiennych cienkich folii. Cechą wspólną większości folii 13

14 polietylenowych i polipropylenowych jest występowanie grup węglowodorowych o silnym pochłanianiu w okolicach 3,4 µm. Natomiast inna grupa folii: celulozowych, poliamidowych, poliuretanowych, poliestrowych oraz teflonowych wykazuje dominujące pasma absorpcji w okolicy 7,9 µm. W tych obszarach lokuje się na ogół pasma dla pomiarów temperatury tych tworzyw. (Najwyższa absorpcja = najwyższa emisyjność) Główne własności promienne - ciecze O cechach promiennych cieczy innych niż woda trudno jest uzyskać dane z literatury. Woda już przy warstwach o bardzo niewielkiej grubości (od ok. 0,5 mm) może być uważana za pochłaniającą całe promieniowanie o λ > 2 µm. W przedziale 2-13 µm w warunkach normalnych, płaska powierzchnia wody wykazuje odbijalność zależną od kąta padania w sposób proporcjonalny wykazując lekkie minimum dla 2,6 i 10,7 µm. Para wodna zawarta w powietrzu oddziaływuje na promieniowanie podczerwone dwojako: poprzez pochłanianie i rozpraszanie. Proporcje między tymi składnikami zależą od sposobu występowania wody w atmosferze tzn. czy para wodna znajduje się w postaci zawiesiny czy nie oraz od długości fali. Tzw. lekka mgła składa się z kropelek wody o średnicach 0,1 do kilku mikrometrów, gęsta do 100 mikrometrów Główne własności promienne - szkła Szkła i szkliwa, z wyjątkiem specjalnych materiałów dla techniki podczerwieni wykazują na ogół dobrą przepuszczalność dla promieniowania bardzo bliskiej podczerwieni (niska absorpcja), lecz ich przepuszczalność silnie maleje ze wzrostem długości fali. Rys Widmowa przepuszczalność szkła sodowo-wapniowo-krzemionkowego 14

15 Dla zwykłych szkieł okiennych spadek ten następuje od ok. 2 µm. Dla klasycznej termografii (2-5 µm i 8-14 µm) są na ogół nieprzezroczyste. W technice podczerwieni stosowane są szkła specjalne jak np. szkło tellurkowo-ołowiowe, aluminiowo-wapniowe czy antymonowe przepuszczające podczerwień do 4 do 6 µm, a szkło z trójsiarczku arsenu przepuszcza podczerwień o długości fali nawet do 25 µm. Pamiętać należy, że również w podczerwieni zastosowanie warstw przeciwodblaskowych znacząco poprawia sumaryczną transmisję. 5. Metodyka badań termograficznych Definicje: 1. Metodyka ogół wskazówek i prawideł właściwych danej metodzie; umiejętne jej stosowanie. 2. Metodyka zbiór zasad, sposobów wykonania określonej pracy albo osiągnięcia celu. 3. Metodologia nauka o metodach, które stosować należy aby krytycznie prowadzić badania 2 Różnorodność zastosowań termografii sprawia, że syntetyczne przedstawienie szczegółowych zasad postępowania w badaniach jest bardzo trudne jeśli nie niemożliwe. Istnieje jednak zbiór prawideł ogólnych, które powinny być zastosowane do każdej aplikacji. Są to: ustalenie, sprecyzowanie CELU BADAŃ, rozpoznanie OBIEKTU BADAŃ, rozpoznanie WARUNKÓW ŚRODOWISKOWYCH I TECHNICZNYCH OBIEKTU, ustalenie WARUNKÓW TECHNICZNYCH wykonania zadania, WYKONANIE BADAŃ, WYKONANIE SPRAWOZDANIA, ODBIÓR PRACY przez Zleceniodawcę (dla zadań zewnętrznych) Ustalenie celu badań Każde badanie ma określony cel. W praktyce termograficznej, w badaniach eksploatacyjnych, w przemyśle, nie powinno być pojęcia zbadania obiektu. Taka forma może mieć miejsce w badaniach naukowych. W zastosowaniach badanie podporządkowane jest jakiemuś celowi. Przez rozpoznanie stanu termicznego instalacji (elektrycznej, ciepłowniczej, chemicznej), budynku, komina, kotła lub tp. następuje, przykładowo: podjęcie decyzji o kolejności i zakresie remontu lub dalszej pracy bez konieczności remontu, wytypowanie obiektu do wymiany, znalezienie przyczyny wadliwej pracy obiektu, sprawdzenie poprawności rozkładu temperatury obiektu nowego lub po wykonanych pracach remontowych. 2 W. Kopaliński Słownik wyrazów obcych, M. Arct wyrazów obcych 15

16 Ustalenie celu badań powinno nastąpić w drodze uzgodnień ze Zleceniodawcą i mieć formę pisemną, np. Protokół uzgodnień wstępnych Rozpoznanie obiektu badań Dzięki jasno postawionemu celowi przez Zleceniodawcę (wewnętrznego lub zewnętrznego) rozpoznanie obiektu badań odbywa się w sposób świadomy. Poszukuje się istotnych cech obiektu, które mogą wpływać na uzyskany obraz cieplny oraz cech, które wpływają na interpretację uzyskanych termogramów. Pierwsze z nich to przykładowo stan i emisyjność powierzchni, drugie to znajomość konstrukcji podpowierzchniowej, grubości, współczynnika przewodnictwa cieplnego i ciepła właściwego, istnienie warstw, przekładek itd. Nie każda plama cieplna jest wadą! Niektóre istnieją w sposób organiczny, są związane z konstrukcją. Interpretacja uzyskanych obrazów cieplnych musi być oparta o znajomość konstrukcji obiektu, materiałów i ich podstawowych parametrów fizykochemicznych. Dlatego też pożądane jest aby zarówno w czasie badań, jak i w procesie interpretacji wyników uczestniczył przedstawiciel Zleceniodawcy, znający konstrukcję i materiały obiektu badań a nawet historię jego eksploatacji Rozpoznanie warunków środowiskowych i technicznych obiektu Prawidłowo dokonany pomiar rozkładu temperatury opiera się na znajomości współczynnika emisyjności obiektu i temperatury otoczenia oraz innych czynników środowiskowych, których wartości, zgodnie z procedurą pomiarową wprowadzane są do kamery przed wykonaniem obserwacji i rejestracji. Pewne wątpliwości dotyczące wartości tych parametrów powinny być rozwiązywane zgodnie ze zdrowym rozsądkiem. Jak np. zdefiniować temperaturę otoczenia dla obiektu i kamery gdy obiektem jest korona komina w EC? Jaką w tej sytuacji przyjąć prędkość wiatru? Jak zdefiniować temperaturę w pomieszczeniu dla obiektów pod sufitem i przy podłodze, gdy istnieje między tymi wartościami duża różnica? Trzeba również pamiętać o stabilności parametrów środowiskowych i to w o tyle dłuższym okresie, im większy, o większej bezwładności cieplnej jest obiekt. Warunki techniczne dotyczą przede wszystkim stabilności głównych parametrów pracy (obciążenia) obiektu gdyż wpływa to na temperaturę powierzchni a nawet na jej rozkład. Dotyczą również stabilności pracy wszystkich urządzeń towarzyszących, które mogą mieć wpływ konwekcyjny lub promienisty na obiekt badań. 16

17 5.4. Ustalenie warunków technicznych wykonania zadania Po stronie Zleceniodawcy: 1. musi być zapewniony dostęp optyczny do powierzchni podlegających badaniu pod odpowiednim kątem i z odpowiedniej odległości, 2. w czasie pomiaru i wcześniej obiekt musi być odpowiednio obciążony. 3. obiekt musi być podstawiony do badań we właściwym czasie, miejscu i bez zbędnych obciążeń biurokratyczno-formalnych (Często zdarza się, że na słowo kamera ochrona reaguje: nie! ). 4. niezbędna jest asysta przedstawiciela Zleceniodawcy znającego obiekt, jego historię, uwarunkowania techniczno-regulacyjno-eksploatacyjne itp. Po stronie Wykonawcy: 1. rozpoznanie możliwości wykonania zadania pod względem merytorycznym, tj. czy istnieją warunki wystąpienia pola temperatury na możliwej do obserwacji powierzchni obiektu i czy istnieje korelacja pola temperatury ze stanem wewnętrznym. 2. Rozpoznanie czy istnieje możliwość obserwacji i zarejestrowania istotnego dla interpretacji pola temperatury. 3. Dobór najlepszej aparatury i jej skompletowanie do osiągnięcia uzgodnionego celu. 4. Rozpoznanie czy jest możliwość weryfikacji uzyskanych wyników (szczególnie w przypadku nowych zadań) Wykonanie badań Wykonanie badań powinno być zgodne z zasadami badań termograficznych. Oznacza to, że: wykonawcą badań powinien być pracownik o odpowiednim przygotowaniu ogólnym, odpowiednim przeszkoleniu i doświadczeniu oraz wiedzy o obiekcie; (Patrz też norma PN-EN ISO/IEC Ogólne wymagania dotyczące kompetencji laboratoriów badawczych i wzorcujących ), badanie powinno odbyć się przy pomocy odpowiedniego sprzętu, obiekt badań powinien być odpowiednio przygotowany i obciążony, badania powinny odbywać się wyłącznie w odpowiednich warunkach środowiskowych (zaniechać badań przy ekstremalnych temperaturach, wietrze, promieniowaniu, mgle lub mżawce, obiekcie zbyt małym w stosunku do odległości i używanej optyki itp.), operator wykonujący badanie powinien natychmiast reagować na stwierdzone znaczne anomalia w rozkładzie i wartości temperatury powiadamiając o tym użytkownika obiektu. 17

18 5.6. Weryfikacja uzyskanych wyników Wykonawca pracy powinien odnosić się krytycznie do uzyskanych wyników i gdzie to tylko możliwe i uzasadnione przeprowadzać ich weryfikację. Weryfikacja może być myślowa lub/i sprzętowa. Weryfikacja myślowa polega na odpowiedzi na przykład na następujące pytania: Czy jest możliwe, żeby ten obiekt o znanej konstrukcji miał takie pole temperatury? Czy jest możliwe, żeby na powierzchni tego obiektu temperatura osiągała taką wartość? Czy jest możliwe, żeby to był odblask? Czy możliwe jest, żeby na tym fragmencie była temperatura niższa (wyższa) niż aktualna temperatura otoczenia? Takie pytania można mnożyć. Weryfikacja sprzętowa polega głównie na sprawdzeniu (tam gdzie to możliwe) wartości temperatury przy pomocy innego miernika. Przy okazji jest to wtedy weryfikacja założonego współczynnika emisyjności Wykonanie sprawozdania Norma PN-EN ISO/IEC Ogólne wymagania dotyczące kompetencji laboratoriów badawczych i wzorcujących w punkcie Sprawozdania z badań nakłada na wykonawcę badań obowiązek umieszczenia w sprawozdaniu szeregu danych formalnych i merytorycznych (wykonawca, obiekt, metoda, warunki, czas, miejsce, wyniki itp.) umożliwiających późniejsze odtworzenie wszystkich istotnych parametrów badawczych. Odpowiedni wyciąg z normy znajduje się w załącznikach. W badaniach termograficznych trudno wyobrazić sobie sprawozdanie bez termogramów. Na ogół zamieszczone są w formie raportów na wydzielonych stronach raportowych. Oprogramowanie pozwala na dowolną konstrukcję strony, gdzie obok danych uzyskanych w badaniu możliwe jest przedstawienie wymaganych danych formalnych, a także własnych sugestii i wniosków. Rozpowszechniana jest opinia, że wykonawca pracy nie powinien nadużywać tych możliwości, gdyż nikt lepiej od zleceniodawcy (właściciel obiektu badań) nie zna uwarunkowań determinujących dalsze postępowanie. Opinia taka, jest jednak błędna, najczęściej właściciel obiektu nie ma żadnej wiedzy z zakresu projektowania, wykonawstwa czy zjawisk fizycznych zachodzących w obiekcie. Na autorze raportu spoczywa obowiązek interpretacji wyników, określenia możliwych przyczyn występowania nieprawidłowości oraz wskazania kierunków postępowania. Wykonawca powinien przedstawić wyniki badań w formie umożliwiającej podjęcie decyzji, ale nie decydować za zleceniodawcę. 18

19 5.8. Odbiór pracy Odbiór pracy powinien odbyć się w siedzibie Zleceniodawcy blisko obiektu badań, aby możliwe było wyjaśnienie wszystkich wątpliwości na miejscu. Odbiór powinien być zakończony protokółem w jednoznaczny sposób stwierdzającym zakończenie zadania. 6. Elementy ekspertyzy termograficznej Wynikiem badań termograficznych jest raport. Musi on mieć postać użyteczną dla zamawiającego tj. zawierać wszystkie niezbędne dane. Norma PN-EN ISO/IEC o nazwie Ogólne wymagania dotyczące kompetencji laboratoriów badawczych i wzorcujących. w rozdziale Sprawozdania z badań" nakłada na wykonawcę obowiązek zamieszczenia w raporcie (sprawozdaniu) szeregu danych formalnych umożliwiających późniejsze odtworzenie warunków technicznych i środowiskowych, procedury badawczej, danych wykonawcy itd. (załącznik) Warunki badań W opisie warunków badań powinny znaleźć się wszystkie elementy pozwalające na precyzyjne odtworzenie sytuacji i identyfikację: miejsca badania - miejscowości, obiektu, orientacji względem stron świata ( przy obiektach odsłoniętych, wystawionych na działanie słońca, wiatru itp.). czasu badania - daty, pory dnia, warunków meteorologicznych - temperatury powietrza, zachmurzenia, prędkości i kierunku wiatru, opadów lub wilgotności powietrza (mgła) i innych danych środowiskowych mogących mieć wpływ na wartość i rozkład temperatury oraz na odczyt tych wartości. rodzaju, typu aparatury, jej ukompletowania, wykonawcy badań, warunków pracy obiektu, obciążenia; jeśli warunki pracy nie były stabilne - przebieg obciążenia w ostatnim czasie Wyniki badań Wyniki badań termograficznych powinny zawierać: listę zbadanych elementów, ich umiejscowienie i stan pracy, listę wszystkich nie zbadanych elementów i przyczyny np. takie jak niedostępność, zasłonięcie, brak obciążenia itp., 19

20 termogramy miejsc potencjalnego zagrożenia (ekstremalne temperatury, nietypowe rozkłady i wartości pól temperaturowych), wydzieloną listę elementów wadliwych wraz z warunkami ich pracy (obciążenia, otoczenia) i klasyfikacją Ograniczenia. Źródła błędów Ograniczenia stosowania metody termograficznej do badania pól temperaturowych mają kilka źródeł. Są to przede wszystkim: odległość, w połączeniu z wymiarami obiektu, warunki meteorologiczne, cechy promienne obiektu i otoczenia, warunki pracy obiektu Odległość i wymiary obiektu Urządzenia termograficzne dysponują optyką o kącie widzenia zbliżoną do oka ludzkiego lub zwykłego aparatu fotograficznego tj. zawartą w granicach Do celów specjalnych mogą być one wyposażone w obiektywy o mniejszych kątach polowych np.10, 7 czy 2. Wybór właściwej odległości dla wykorzystywanego obiektywu (lub odwrotnie) ma wysoki wpływ na rzetelność wyników badań elementów o małych rozmiarach liniowych Warunki meteorologiczne A. Wiatr Schłodzenie i spłaszczenie rozkładu temperatury przez wiatr na powierzchniach elementów jest tym większe im mniejsza jest bezwładność cieplna elementu lub jego powierzchni, trudniejszy przepływ ciepła z wnętrza na powierzchnię (izolacyjność warstw pośrednich) oraz własności schładzającego powietrza (wilgotność, zawiesina wodna - mżawka). Do obliczeń temperatury można przyjąć (za Academy of Infrared Thermography") następujące współczynniki korekcyjne: Prędkość wiatru (m/s) Współczynnik korekcji 1 1,00 2 1,36 3 1,64 4 1,86 5 2,06 6 2,23 20

21 7 2,40 8 2,54 9 i więcej Nie wykonuje się pomiarów Z wielu doświadczeń wynika jednak, że podane współczynniki należy stosować z rozwagą i przy szybkości wiatru ponad 5m/s raczej zaniechać badań. B. Słońce Słońce jest źródłem promieniowania wysokotemperaturowego (6000K). Słońce oddziaływuje dwojako: poprzez nagrzanie elementu poddanego badaniom oraz przez odblaski. Pierwszy rodzaj oddziaływania zazwyczaj uniemożliwia badanie termograficzne. Elementy duże, o dużej bezwładności cieplnej badane powinny być dopiero kilka godzin po zaniku oddziaływania słońca. Odblaski przy chwilowych przejaśnieniach oraz zimą nie są zbyt groźne dla doświadczonych ekip. Na zarejestrowanych termogramach, zwłaszcza po upływie pewnego czasu od rejestracji i przy skomplikowanej geometrii powierzchni obiektu, istnieje niebezpieczeństwo niewłaściwej interpretacji gorących punktów. Z tego względu podczas silnego oddziaływania słońca unika się pomiarów termograficznych elementów o temperaturze poniżej ok C (zależnie od współczynnika emisyjności). Należy tu jeszcze wspomnieć o oddziaływaniu rozproszonego promieniowania chmur, które choć oddziaływują na całą powierzchnią a nie punktowo jak słońce i ich wpływ jest trudniej zauważalny to nie uwzględnienie wpływu promieniowania chmur może prowadzić do błędnej interpretacji. C. Odblaski Odblaski nakładają się na obraz cieplny badanego obiektu. Problem odblasków wynika z odbijalności powierzchni. Tylko ciała doskonale czarne lub przezroczyste nie wykazują odbijalności. Wśród sygnałów odbijanych z powierzchni badanych obiektów mogą więc być zarówno sygnały z bardzo zimnej przestrzeni kosmicznej jak i od źródeł ciepłych. Największy problem z odblaskami powoduje oczywiście słońce jako źródło punktowe i wysokotemperaturowe (6000 K). Te efekty można stosunkowo łatwo przewidzieć i wyeliminować. Sporej uwagi wymaga uwzględnienie możliwości wystąpienia innych odbić. W przypadku badania obiektów o niskim współczynniku emisyjności i niewysokiej temperaturze powierzchni odblaski mogą powodować np. ludzie, lampy oświetleniowe, kominy, napowietrzne rurociągi ciepłownicze, samochody. Analizując problem odbić należy brać pod uwagę krzywiznę badanego obiektu i możliwość reemisji sygnałów z różnych kierunków tym wyższą im dana powierzchnia jest bardziej odchylona od kierunku prowadzonej obserwacji. Szczególnie powinni o tym zawsze pamiętać użytkownicy pirometrów. 21

22 D. Oddziaływanie nieba Do urządzenia termograficznego docierają od badanego obiektu dwa (a nawet więcej) rodzaje promieniowania cieplnego nałożone na siebie: promieniowanie własne, promieniowanie odbite, Przy badaniach termograficznych na otwartej przestrzeni na obraz własny nakładają się odbicia od otoczenia, mającego temperaturę bliską temperaturze powietrza (ściany domów, drzewa, ziemia), odbicia cieplne omówione wyżej oraz zimne odblaski, zwykle od nieboskłonu. Urządzenie termograficzne nie rozróżnia tych rodzajów promieniowania - traktuje je jak sumę. Efekt odbicia,,zimnego nieba" jako brak pewnej składowej pojawi się jako temperatura obiektu niższa od temperatury otoczenia (co oczywiście jest interpretacją błędną). Stwierdzono, że chmury o niskim pułapie dają efekt mało różniący się od wpływu drzew, domów, trawy, ziemi, itp. tj. mają temperaturę radiacyjną bliską temperaturze otoczenia. Temperatura radiacyjna chmur o wysokim pułapie jest zwykle znacznie niższa - zwłaszcza latem. Temperatura radiacyjna czystego nieba bez chmur, przy małej wilgotności powietrza w dzień czy w nocy jest bardzo niska: 60 do - 80 C. Wpływ nieba będzie więc między innymi funkcją chwilowego zachmurzenia co jest stwierdzeniem ważnym dla badań w ogólności obiektów pod gołym niebem a w szczególności wyższych pięter budynków Transmisja i emisja ośrodka gazowego Oddziaływanie atmosfery jako kanału optycznego na drodze obiekt-urządzenie pomiarowe omawiano w części wstępnej. W badaniach na rzecz energetyki, metalurgii, budownictwa odległości pomiarów sięgają często kilkunastu, kilkudziesięciu, a nawet kilkuset metrów (np. statki, kominy). Są to już odległości znaczne. Należy się liczyć z tym, iż atmosfera w czasie badań termograficznych może oddziaływać na wynik np.: - tłumiąc szczególnie silnie określone długości fal (np. przy powiększonej zawartości CO 2, pary wodnej),- rozpraszając promieniowanie od obiektu i poddając je turbulencjom, wnosząc własną składowa radiacyjną do sumy odbieranych sygnałów. Stopień tych oddziaływań i uciążliwość dla badań silnie zależą między innymi od charakterystyki widmowej stosowanej aparatury pomiarowej Cechy promienne obiektu W budownictwie, elektroenergetyce, metalurgii na ogół występują obiekty nieprzezroczyste dla promieniowania podczerwonego, stąd główne problemy związane są z emisyjnością. Odbijalność wyznaczana jest jako dopełnienie do jedności (np. dla ε = 0.82, ε = 0,18). Klasycznym źródłem informacji o wartościach współczynników emisyjności ε są tabele zamieszczone w podręcznikach. W rzeczywistości jednak wartość ε jest funkcją wielu parametrów związanych z samym obiektem badań, warunkami badań i cechami widmowymi stosowanej aparatury. Z tego względu 22

23 każdorazowo problem oszacowania ε musi być rozpatrywany indywidualnie. W badaniach, w których istotną rolę gra pomiar temperatury, a nie jej rozkład operator kamery dokonuje pomiaru współczynnika emisyjności przy pomocy kamery, którą wykonuje badania. W praktyce oznacza to, że ekipy pomiarowe dla dysponowanego sprzętu oraz charakteru najczęściej badanych instalacji powinny opracować własne banki danych o emisyjności (odbijalności) badanych obiektów. 23

24 12 Program 1. Promieniowanie w termografii w podczerwieni. Podstawowe pojęcia. 2. Własności promienne ciał idealnych i rzeczywistych. 3. Detektory promieniowania podczerwonego. 4. Metodyka badań termograficznych. 5. Elementy ekspertyzy termograficznej. 6. Badania termograficzne w budownictwie. 24