Рис.6. Термография энергопотерь здания через окна

Обнаружение влаги. Влага часто попадает в здания и вызывает разрушение строительных материалов. Обычно влага проникает в здание через негерметичные стыки конструкций или швы. Влага так же может появиться в результате конденсации. Конденсация обычно возникает, когда влажный теплый воздух из здания попадает в более холодные полости в здании. Другими источниками влаги могут быть наводнения, подземные воды, а так же течи из водопровода и систем пожаротушения.

В таких случаях поверхность будет выглядеть более холодной. Влажные строительные материалы так же имеют более высокую теплопроводность, и в случае нестационарного теплообмена, имеют большую теплоемкость по сравнению с сухими. В таком случае тепловые следы могут быть не всегда четкими. Необходимо убедиться в том, что условия позволяют увидеть наличие влаги. Например, рекомендуется произвести дополнительные измерения с помощью измерителя влажности, чтобы в случае обнаружения подозрительных областей, произвести подтверждение.

Немаловажно, что тепловизионное обследование позволяет документально зафиксировать наличие проблем, а также при необходимости подтвердить правильность установки оконной конструкции.

Кроме того, подобная диагностика позволяет получить результаты почти мгновенно, без необходимости вмешательства во внутреннюю структуру объектов.

Диагностический осмотр здания с использованием тепловизионной камеры помогает:

• визуализировать потери энергии;

• обнаружить дефекты изоляции;

• найти источники утечки воздуха;

• обнаружить влажность в изоляции, на крыше и стенах как во внутренних, так и в наружных конструкциях;

• обнаружить плесень и плохо изолированные участки;

• обнаружить тепловые мосты;

• обнаружить места просачивания воды в плоских перекрытиях;

• обнаружить прорывы в трубопроводах горячей воды;

• обнаружить повреждения конструкций;

• контролировать сушку зданий;

• обнаружить дефекты гидромагистралей и линий центрального отопления;

• обнаружить неисправности электрооборудования.

Пример: Тепловое пятно от наличия влаги всегда бывает четким (рис.7), особенно когда условия подходят для испарения с влажной поверхности.

а)

б)

в)

Рис. 7. а) фотография здания; б) термограмма в кровле здания;

в) термограмма на полу здания

Другим направлением строительной термографии является энергоаудит – анализ энергоэффективности зданий и сооружений с целью оптимизации расходов на энергию. Проведение инспекции здания с последующим анализом его особенностей и фактических данных о расходе энергии позволяет определять оптимальные методы по снижению энергопотерь.

Тепловизионное обследование проводится как на внешних, так и на внутренних поверхностях ограждающих конструкций. Определение проблемных участков теплозащиты помогает локализовать источник энергопотерь (рис.8 и 9).

Классификация тепловизоров

Современные тепловизоры представляют собой портативные приборы, позволяющие в режиме реального времени отображать картину распределения поверхностных температур (термограмму), сохранять ее в собственной памяти и отправлять на компьютер или иные устройства, поддерживающие проводные (USB, RS 232) и беспроводные (Bluetooth) интерфейсы передачи данных. Возможность подключения к стационарному компьютеру или ноутбуку, мгновенного вывода результатов измерений на периферийные устройства (принтер, монитор) обеспечивают оперативность и удобство, благодаря чему новейшее поколение тепловизоров справляется с широким кругом практических задач, находя применение в строительстве, медицине, криминалистике, на этапах диагностики в различных отраслях промышленности.

Основными требованиями, предъявляемыми к переносным тепловизорам, являются температурная чувствительность и диапазон оцениваемых температур. На текущий момент температурная чувствительность хорошего тепловизора составляет около 0.1 °C (или 100 мК), а величина диапазона варьирует в зависимости от специфики предполагаемых задач. Кроме того, многие модели тепловизоров поддерживают работу в нескольких переключаемых режимах, что позволяет существенно расширить диапазон измерений без потери точности. Также немаловажным параметром являются размер оптического поля и минимальное фокусное расстояние. Эти характеристики тепловизора определяются оптикой его объектива и полупроводниковой матрицей.

Классифицировать тепловизоры можно по самым различным критериям:

по принципу получения изображения

1. сканирующие тепловизоры (тепловизоры с оптико-механическим сканированием). Термограмма получается в результате сканирования пространства. Система из вращающихся и качающихся зеркал и призм поочередно экспонирует на приемник излучение от каждой точки наблюдаемого пространства. Приемник излучения может быть одноэлементным, линейкой чувствительных элементов или небольшой матрицей. Преимуществом сканирующих систем считают то, что измерение в каждой точке термограммы получено одним датчиком (в одноэлементной системе). К недостаткам можно отнести наличие движущихся деталей и относительно низкую скорость формирования термограммы. В качестве примера сканирующих тепловизоров можно привести модели AGEMA 470, ИРТИС;

2. матричные тепловизоры (тепловизоры с матрицей в фокальной плоскост). В фокальной плоскости оптической системы таких тепловизоров установлен многоэлементный приемник ик-излучения — матрица. Каждая точка (пиксель) в термограмме получается как результат преобразование ик-излучения соответствующим детектором матрицы. Размер матрицы и получаемой термограммы в современных тепловизорах сильно отличаются. В дешевых моделях начального уровня устанавливают матрицы от 60х60 точек до 180х180 точек. В профессиональных коммерческих тепловизорах устанавливают матрицы 640х480 точек. Размер матрицы сильно влияет на стоимость тепловизора, так как матрица и ик-оптика являются самым дорогими элементами тепловизоров. Большинство современных тепловизоров являются матричными, как пример можно привести модели FLIR Р640 и FLIR T640 (установлены матрицы размером 640х480 точек);

по спектральному диапазону

1. коротковолновые тепловизоры. Рабочий спектральный диапазон ориентировочно от 3 мкм до 5 мкм. Более правильно называть эти тепловизоры средневолновыми, так как они работают в средневолновом ИК-диапазоне, соответствующем окну прозрачности атмосферы ориентировочно от 3 мкм до 5 мкм. Линзовые объективы коротковолновых тепловизоров изготавливают из кремния. Это охлаждаемые тепловизионные камеры. К коротковолновым тепловизорам относятся FLIR GasFindIR и FLIR SC7000;

2. Длинноволновые тепловизоры. Рабочий спектральный диапазон от 8 мкм до 14 мкм. Матрицы таких тепловизоров не требуют охлаждения. Линзовые объективы длинноволновых тепловизоров изготавливают из германия. Большинство коммерческих тепловизоров являются длинноволновыми, например модели FLIR Р640, FLIR T640;

Компоненты тепловизора

Все виды тепловизоров имеют несколько общих компонентов, включающих объектив, дисплей, приемник излучения и обрабатывающую электронику, органы управления, устройства хранения данных, а так же программное обеспечение для обработки данных и создания отчетов. Эти компоненты могут несколько изменяться в зависимости от типа и модели тепловизионной системы.

Объективы

Тепловизоры имеют как минимум один объектив. Объектив тепловизора собирает инфракрасное излучение и фокусирует его на приемнике излучения. Приемник излучения выдает сигнал и создает электронное (тепловое) изображение или термограмму. Объектив тепловизора используется для того, чтобы собрать и сфокусировать приходящее инфракрасное излучение на приемнике излучения. Объективы большинства длинноволновых тепловизоров изготовлены из германия.

Дисплеи

Тепловое изображение отображается на жидкокристаллическом дисплее (ЖКД), расположенном на тепловизоре. Дисплей должен иметь большой размер и высокую яркость, чтобы изображение на нем можно было легко увидеть в различных условиях освещенности в различных местах работы. На дисплее часто отображается дополнительная информация, такая как уровень заряда аккумулятора, дата, время, температура объекта (в °F, °C, или K), видимое изображение и цветовая шкала температур.

Приемник излучения и схемы обработки сигнала

Приемник излучения и схемы обработки сигнала используются для превращения инфракрасного излучения в полезную информацию. Тепловое излучение от объекта фокусируется на приемнике излучение, который обычно изготовлен из полупроводниковых материалов. Тепловое излучение генерирует измеряемый сигнал на выходе приемника излучения. Сигнал обрабатывается электронными схемами внутри тепловизора, чтобы на дисплее прибора появилось тепловое изображение.

Органы управления

С помощью органов управления можно выполнить разнообразные электронные настройки для улучшения теплового изображения на дисплее. В электронном виде изменяются такие настройки, как диапазон температур, тепловой уровень и диапазон, цветовая палитра и настройки слияния изображения. Так же можно установить значение коэффициента излучения и отраженной фоновой температуры.

Устройства хранения данных

Электронные цифровые файлы, содержащие тепловые изображения и дополнительные данные, сохраняются на различных типах электронных карт памяти или устройств хранения и передачи данных. Многие тепловизионные системы позволяют сохранять дополнительные голосовые и текстовые данные, а так же соответствующее видимое изображение, полученное с помощью встроенной камеры, работающей в видимом спектре.

Программное обеспечение для обработки данных и создания отчетов

Цифровые тепловые и видимые изображения (термограммы) импортируются на персональный компьютер, где их можно просмотреть с использованием различных цветовых палитр, построить изотермы и гистограммы, произвести другие настройки всех радиометрических параметров, а так же воспользоваться функциями анализа. Обработанные изображения можно вставить в шаблоны отчетов и либо отправить на принтер, либо сохранить в электронном виде, или отправить заказчику через Интернет. Например, программа обработки теплограмм «Протон-Эексерт» позволяет дополнительно построить тренд температуры во времени, что позволяет спрогнозировать остаточный ресурс исследуемого объекта с помощью термографии.

Рис. 8. Нарушение циркуляции теплоносителя

Рис. 9. Энергоаудит дома - утечка тепла на чердаке

Еще одним важным типом исследования конструкций является инспекция внутреннего пространства. Данный способ диагностики применяют для выявления мостиков холода, которые возникают из-за недостатков в теплоизоляции и участков, имеющих температуру ниже точки росы. В таких местах конденсируется влага, что негативно сказывается на эксплуатационных свойствах здания и может стать причиной разрушения строительного материала.

2.2. Аппаратура и оборудование Принцип работы и устройство тепловизоров

Теплови́зор — устройство для наблюдения за распределением температуры исследуемой поверхности. Распределение температуры отображается на дисплее (или в памяти) тепловизора как цветовое поле, где определённой температуре соответствует определённый цвет. Как правило, на дисплее отображается диапазон температуры видимой в объектив поверхности. Типовое разрешение современных тепловизоров — 0,1 °C.

В наиболее бюджетных моделях тепловизоров, информация записывается в память устройства и может быть считана через интерфейс подключения к компьютеру. Такие тепловизоры обычно применяют в паре с ноутбуком или персональным компьютером и программным обеспечением, позволяющим принимать данные с тепловизора в режиме реального времени.

Различают наблюдательные и измерительные тепловизоры. Первые просто делают изображение в инфракрасных лучах видимым в той или иной цветовой шкале. Измерительные тепловизоры, кроме того, присваивают значению цифрового сигнала каждого пикселя соответствующую ему температуру, в результате чего получается картина распределения температур.

Принцип работы тепловизора.

Рис. 10. Общая схема работы тепловизора

Общая схема работы тепловизора (Рис. 10) показывает что, инфракрасное излучение концентрируется системой специальных линз и попадает на фотоприемник, который избирательно чувствителен к определенной длине волны инфракрасного спектра. Излучение фотоприемника приводит к изменению его электрических свойств, что регистрируется и усиливается электронной схемой. Полученный сигнал подвергается цифровой обработке, и это значение передается на блок отображения информации. Блок отображения информации имеет цветовую палитру, в которой каждому значению сигнала присваивается определенный цвет. После этого на экране монитора появляется точка, цвет которой соответствует численному значению инфракрасного излучения, которое попало на фотоприемник. Сканирующая система (зеркала или полупроводниковая матрица) проводит последовательный обход всех точек в пределах поля видимости прибора, в результате чего получается видимая картина инфракрасного излучения объекта (термограмма).

Термограмма – это изображение объекта, обработанное электроникой для отображения на дисплее таким образом, что различные градации цвета соответствуют распределению инфракрасного излучения по поверхности объекта.

Таким образом, на экране тепловизора мы видим значения мощности инфракрасного излучения в каждой точке поля зрения тепловизора, отображенные согласно заданной цветовой палитре (черно-белой или цветной).

По своей сути, принцип работы тепловизора подобен обычной видеокамере. Разница только в воспринимаемом спектре светового сигнала. Видеокамера фиксирует видимый спектр, а тепловизор — невидимый, инфракрасный свет.

С помощью современных тепловизоров можно обнаружить излучение электромагнитного спектра в инфракрасном диапазоне (900-14000 нанометров) с точностью 0,1С.