Politechnika Białostocka
Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska
Instrukcja do zajęć laboratoryjnych
Temat ćwiczenia:
Termografia - wykrywanie słabych miejsc w przegrodach
budowlanych
Ćwiczenie Nr 6
Laboratorium z przedmiotu:
FIZYKA BUDOWLI
Kod:
BO 4110
Opracował:
dr inż. Wiesław Sarosiek
Białystok 2011
L.F.B.
ĆWICZENIE NR 6
Str.
2
1. Wprowadzenie
Ćwiczenie wykonywane jest w pomieszczeniu laboratorium oraz na
korytarzach Wydziału. Do wykonania ćwiczenia potrzebna jest znajomość
podstawowych zagadnień z fizyki budowli dotyczących ruchu ciepła przez
przegrody budowlane, form wymiany ciepła, oporu cieplnego przegród (R),
współczynnika przenikania ciepła „U”, znajomość przegród zewnętrznych w
podstawowych systemach budowlanych stosowanych w Polsce.
2. Cel i zakres ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest pokazanie możliwości termowizji w zakresie
diagnozowania wad termicznych budynków oraz praktyczne przećwiczenie
obróbki termogramów (II część). Ćwiczenie obejmuje również szczegółowe
zasady wykonywania pomiarów termowizyjnych.
3. Metodyka badań
Do wykonania ćwiczenia potrzebne są następujące przyrządy pomiarowe:
- Kamera termwizyjna Avio TV 120,
- termometry do pomiaru temperatury powietrza (wewnątrz i na zewnątrz
budynku).
3.1. Zasada działania systemów termowizyjnych
Historia termografii i prawa nią rządzące
Promieniowane podczerwone zostało odkryte w roku 1800 przez
angielskiego astronoma W. Herschela. Stwierdził on, iż maksymalnie dużo energii
cieplnej od promieniowania słonecznego przechodzi poza czerwonym pasmem
promieniowania widzialnego. Po raz pierwszy terminem "termografia" posłużył
się w 1840 roku J. Herschel. Użył on tego terminu do określenia zobrazowania
rozkładu temperatur na powierzchni ciała stałego. W zasadzie od tego czasu
uważa się, iż termogram jest cieplnym obrazem danego ciała przedstawiającym
intensywność promieniowania podczerwonego (IR) wysyłanego z tego ciała. W
1880 skonstruowany został pierwszy detektor-bolometr mogący mierzyć
bezwzględną wielkość promieniowania podczerwonego (IR).
Pierwsza kamera termowizyjna (stosowana do celów wojskowych)
powstała jednak dopiero w 1952 roku. Jednakże kamera termowizyjna o
parametrach zbliżonych do współczesnych urządzeń zbudowana została dopiero
w 1960 roku przez firmę Parkinson-Elmer.
Prawa promieniowania mające związek z systemami termowizyjnymi
zostały odkryte w kolejnych latach rozwoju nauki pomiędzy rokiem 1860 a 1884:
L.F.B.
ĆWICZENIE NR 6
Str.
3
Prawo Kirchoffa (1860) - mówiące o tym, iż ciało dobrze pochłaniające
promieniowanie również dobrze je emituje.
Prawo Stefana-Boltzmanna (1879-1884) - mówiące o tym, iż całkowita
ilość energii wypromieniowywana przez ciało doskonale czarne jest
proporcjonalna do temperatury bezwzględnej tego ciała (w czwartej potędze):
W
T W m
4
2
/
gdzie:
- stała Stefana-Boltzmanna równa 5,7 x 10-8 [W/m2 K4]
Prawo Plancka pozwala opisać rozkład widmowy promieniowania ciała
doskonale czarnego poniższym wzorem:
W
hc
e
hc
kT
2
1
2
5
(
)
gdzie:
c - prędkość światła równa 3x108 [m/s]
h - stała Plancka równa 6,6x10-34 [Js]
k - stała Boltzmanna równa 1,4x10-23 [J/K]
T - temperatura bezwzględna ciała doskonale czarneg [K]
W
- emitancja ciała doskonale czarnego dla danej długości fali
- długość fali [m]
Prawo przesunięć Wiena pozwala wyznaczyć długość fali przy której
występuje maksymalne promieniowanie danego obiektu. Wzór ten opisuje znane
zjawisko zmiany barwy od czerwonej do pomarańczowej ciała promieniującego
przy wzroście jego temperatury.
max
[
]
2898
T
m
Promieniowanie podczerwone; zakresy długości fali
Ponieważ całe promieniowanie podczerwone obejmuje dosyć duży
przedział długości fali (od 0,7 do 1000
m
wydzielone zostały cztery jego
zakresy:
-/ bliska podczerwień (NIR 0,7-3
m
),
-/ średnia podczerwień (MIR 3-6
m
),
-/ daleka podczerwień (FIR 6-15
m
),
-/ bardzo daleka podczerwień (XIR 15-1000
m
).
L.F.B.
ĆWICZENIE NR 6
Str.
4
Działanie systemu termowizyjnego
W kamerze termowizyjnej można umownie wydzielić pewne bloki
pozwalające lepiej zrozumieć zasadę działania całego systemu. Te bloki to:
mechanizm skanowania (układ elekryczno-optyczny),
detektor promieniowania podczerwonego (główny element systemu
termowizyjnego),
system obróbki sygnału,
sprzęt video (w zakresie promieniowania podczerwonego).
Rys.1. Schemat ideowy systemu termowizyjnego (1/ obserwowany obiekt, 2/
układ skanowania obrazu, 3/ układ optyczny tworzący obraz, 4/ detektor
podczerwieni z układem chłodzenia, 5/ układ wizualizacji i zapisu obrazu).
Energia elektromagnetyczna wysyłana przez obserwowany obiekt po przejściu
przez obiektyw zostaje zogniskawana na oscylującym zwierciadle. Po odbiciu od
niego trafia na układ optyczny stałych zwierciadeł które kierują ją na wirujące z
dużą prędkością zwierciadło wielokątne. Zwierciadło oscylujące i wirujące
wielokątne są tak ze sobą zgrane, że pozwalają na skanowanie obrazu o
rozdzielczości pionowej ok.120-140 linii. Promień, który niesie informację o
temperaturze pojedyńczego elementu obrazu, odbity od zwierciadła wielokątnego
pada na detektor promieniowania podczerwonego (pasek materiału czułego na
promieniowanie podczerwone). Obecnie najcześciej stosowane są dwa typy
detektorów: fotopółprzewodniki i fotoogniwa. Aby urządzenie charakteryzowało
się dużą czułością również w temperaturach zbliżonych do temperatury otoczenia
detektor musi być chłodzony (najczęściej do temperatury ok. 70 K). Chłodzenie
realizowane było dawniej głównie za pomocą ciekłego azotu a obecnie coraz
częściej jest to chłodziarka termoelektryczna. Obraz w podczerwieni powstaje
podobnie jak obraz telewizyjny poprzez pomiar punkt po punkcie w liniach
poziomych wzdłuż określonej liczby linii pionowych. System przetwarzania
zamienia sygnał analogowy w cyfrowy. Obraz ten niosący informację o
temperaturze powierzchni obiektu badanego może być zapisany w pamięci
L.F.B.
ĆWICZENIE NR 6
Str.
5
zewnętrznej kamery lub na dysku elastycznym za pomocą wbudowanej stacji
dysków.
Kamera termowizyjna Avio
W laboratorium KBO znajduje się kamera termowizyjna AVIO TVS120
model TVS 120P produkcji japońskiej. Jest to nowoczesne urządzenie
umożliwiające uzyskanie obrazu obiektów w zakresie promieniowania
podczerwonego. Wewnętrzna stacja dysków 3,5" pozwala na szybką rejestrację
uzyskanych obrazów termalnych. Na dyskietce o pojemności 1,44 MB można
zarejestrować 30 termogramów.
Kamera
posiada termoelektryczny system chłodzenia detektora
promieniowania podczerwonego. Działa w paśmie średniej podczerwieni w
zakresie długości fali od 3 do 5,4
m
. Kamera posiada trzy podzakresy
obserwowanych temperatur:
zakres L
od -10
do
+120 oC,
zakres M od +50
do
+300 oC,
zakres H
od +250
do
+950 oC.
Rozdzielczość temperatury na obrazie termalnym przy temperaturze
obserwowanego ciała ok. 30oC wynosi 0,2oC. Szybkość skanowania obrazu 10
klatek na sekundę. Kamera ma możliwość ustawiania emisyjności
obserwowanych ciał w zakresie od 0,10 do 1,00 co 0,01. Pole widzenia
standardowego obiektywu wynosi 18o w poziomie i 13,5o w poziomie.
Do obróbki wykonanych podczas pracy kamerą termogramów służy
program komputerowy Piced-Avio.
3.2. Przebieg pomiarów
Ćwiczenie składa się z następujących elementów:
-/
grupa ćwiczeniowa wspólnie z prowadzącym wykonuje przegląd
fragmentów budynku (budynek WB i IŚ - nadproża, styki ścian wewnętrznych z
zewnętrznymi, osadzenie stolarki okiennej i drzwiowej, stolarka okienna i
drzwiowa, połączenie ścian zewnętrznych ze stropami na ostatniej kondygnacji),
-/
studenci typują miejsca do przeglądu kamerą termowizyjną (miejsca w
których mogą wystąpić lokalne obniżenia temperatury lub nieszczelności
(przewiewanie powietrza zewnętrznego) do wnętrza budynku,
-/
wykonywany jest przegląd kamerą termowizyjną wytypowanych miejsc z
rejestracją największych lokalnych obniżeń temperatury (w przypadku
termogramów wykonywanych od wewnątrz) lub lokalnych fragmentów przegród
o wyższych temperaturach (w przypadku termogramów wykonywanych od
zewnątrz),
L.F.B.
ĆWICZENIE NR 6
Str.
6
-/
wszystkie wykonane termogramy (zapisy na dyskietce) powinny zostać
opisane z podaniem szczegółów umożliwiających późniejszą identyfikację
obiekty i miejsca pochodzenia termogramu.
Zakłada się wykonanie co najmniej 10 - ciu termogramów z opisem
identyfikującym element i jego miejsce w budynku oraz wysunięcie hipotezy co
do prawdopodobnych przyczyn zarejestrowanego stanu.
3. Wymagania BHP
Obowiązują ogólne wymagania przepisów BHP podane studentom na
zajęciach wstępnych
4. Sprawozdania studenckie
W sprawozdaniu należy podać: cel i zakres ćwiczenia, opis stanowiska
badawczego, przebieg realizacji pomiarów – wykaz wykonanych
termogramów przykładowych.
5. Literatura
1. Ickiewicz I., Sarosiek W. i Ickiewicz J.; Fizyka budowli – Ćwiczenia,
podręcznik akademicki, Białystok PB 2000.
2. Pogorzelski J. A. Fizyka budowli, Warszawa, PWN 1976.
3. PN-91/B-02020 - Ochrona cieplna budynków.
BIAŁYSTOK, 2011R. - W. S.