Коррекция методических погрешностей тепловизионного контроля нагретых тел

Размещено на http://www.allbest.ru/

Коррекция методических погрешностей тепловизионного контроля нагретых тел

А.Н. Шилин,

А.Б. Мадаров

Рассмотрены основные факторы, влияющие на точность тепловизионного контроля нагретых тел. Приведены методики коррекции методических погрешностей и схема интеллектуального оптико-электронного прибора с коррекцией погрешностей. Представлены результаты экспериментальных исследований при проведении энергоаудита строительных сооружений.

Принятие федерального закона ФЗ № 261 от 23ноября 2009 г. "Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности, и о внесении изменений вотдельные законодательные акты Российской Федерации" способствовало спросу на российском рынке на инфракрасные (ИК) тепловизоры для энергоаудита в строительстве, энергетике, промышленности и в других областях деятельности человека. Существуют стандарты, регламентирующие проведение тепловизионного контроля. Например, методики применения тепловизионного контроля для ограждающих конструкций ГОСТ 26629-85 "Здания и сооружения…" и методики тепловизионного контроля электрооборудования РД 153-34.0-20.363-99 "Основные положения методики инфракрасной диагностики электрооборудования и воздушных линий (ВЛ)".

Подобные методики существуют и для других объектов энергоаудита. Внедрение приборов инфракрасной техники в энергетику и тепловизионный контроль - это один из основных инновационных методов неразрушающего контроляОднако в области тепловизионного энергоаудита существуют проблемы, а именно: недостаточное метрологическое обоснование тепловизионных измерений; использование экономичных тепловизоров с небольшим форматом термоизображений (160Ч120 и менее) и существенной погрешностью температурных измерений (обычно ±2 % или ±2 °С); невыполнение методических рекомендаций по обеспечению точных температурных измерений при отсутствии информации о параметрах объекта. Все эти проблемы оказывают отрицательное влияние на достоверность и точность принятия решений при энергоаудите. Проблема недостаточного метрологического обоснования заключается в том, что в технической документации тепловизоров приводиться инструментальная погрешность. Однако основной вклад в общую погрешность контроля вносит методическая составляющая, которая может в несколько раз превышать инструментальную составляющую. Поэтому одним из основных направлений повышения достоверности и точности контроля является разработка методов коррекции методических погрешностей тепловизионного контроля.

Для разработки методов коррекции методической погрешности тепловизионного контроля рассмотрим основные факторы, влияющие на достоверность и точность контроля (характеристики тепловизионного оборудования, климатические условия, угол наблюдения, расстояние съемки, особенности материала объекта, температурные условия).

1. Тепловизионное оборудование. Для контроля качества теплоизоляции ограждающих конструкций применяют тепловизоры марок "Flir", "Testo", "Fluke" и др., отвечающих следующим требованиям: диапазон контролируемых температур не менее от -20С до +120°С; предел температурной чувствительности не менее 0,5 °С; угловые размеры поля обзора не менее от 0,08 до 0,65 рад; инструментальная погрешность не более ±2°C или ±2% от показаний; ИК-разрешение не менее 160 Ч 120 пикселей; спектральный диапазон от 2,5 мкм до 14 мкм.

2. Климатические условия. Тепловизионный контроль технических устройств, сооружений и их элементов в реальных условиях их эксплуатации рекомендуется проводить при разности температур внутреннего объема объекта контроля Tint и наружного воздуха Text не менее 10-15°С. [1] Тепловизионный контроль технических устройств, сооружений, находящихся на открытом воздухе, не рекомендуется проводить при значительных осадках. Осадки в значительной степени охлаждают поверхность объекта и в определенной мере рассеивают инфракрасное излучение каплями воды. Тепловизионный контроль зданий рекомендуется проводить ночью или в предутренние часы, когда тепловое влияние окружающей среды минимально. При тепловизионном контроле на открытом воздухе скорость ветра не должна превышать 7 м/с.

3. Угол и дальность наблюдения. При оценке интенсивности инфракрасного излучения большое влияние на результаты оказывает угол между оптической осью системы приемника и нормалью к излучающей поверхности (рис. 1). Для каждого типа реальных излучателей существует предельный угол, превышение которого приводит к существенному понижению коэффициента направленного излучения, и в принимаемом излучении поверхности доля собственного теплового излучение падает, а отраженного - растет. тепловизионный коррекция электронный

Рис. 1. ИК-контроль токоведущей шины [4].

Это обстоятельство необходимо учитывать при выборе точки расположения тепловизионных приборов и снятия термограмм, стараясь наблюдать тепловизором контролируемую поверхность под углами меньше критических. Ввиду значительных размеров зданий тепловизионную съёмку производят покадрово. По завершении съёмки очередного кадра оператор перемещает тепловизор таким образом, чтобы объект измерения находился под углом наблюдения не менее 60°. В этом случае излучательная способность от угла наблюдения практически не зависит. В диапазоне от 60° до 90° излучательная способность при приближении к 90° будет стремительно падать, а коэффициент отражения соответственно возрастать. Поэтому необходимо стремиться, чтобы тепловизор был направлен по нормали к снимаемому объекту.

Рис. 2. Зависимость коэффициента излучения от угла наблюдения для различных источников и материалов [5].

В электроустановках различие в углах наблюдения может возникнуть при проведении ИК-контроля под углом токоведущей шины (рис. 2).На участках А и С наблюдение осуществляется по нормали к плоскости шины, на участке Вбудет превалировать отражательная способность материала, что будет искажать картинутеплового изображения [4].

Рис. 3 . ИК-контроль под углом токоведущей шины [4].

Удаленность мест установки тепловизора L в метрах от поверхности объекта определяют по формуле [3]:

(1)

где- угловой вертикальный размер поля обзора тепловизора, рад;ДH - линейный размер подлежащего выявлению участка ограждающей конструкции с нарушенными теплозащитными свойствами; Nc - число строк развертки в кадре тепловизора.

Рекомендуемая дальность тепловизионной съемки от 1 до 100 м в зависимости от габаритных размеров объекта контроля и размеров предполагаемых дефектов, а также оптической системы применяемого тепловизора.

4. Особенности материала объекта. Свойства поверхности измеряемого объекта играют решающую роль при измерении температуры с помощью тепловизора. Коэффициент излучения меняется в зависимости от структуры поверхности, загрязнения и покрытия. От выбора коэффициента излучения контролируемого объекта, зависят результаты контроля. При отсутствии возможности экспериментального определения коэффициента излучения пользуются справочными данными.

Для того, чтобы производить максимальную коррекцию методических погрешностей тепловизионного контроля и с большей эффективностью выявлять утечки тепла в домах и скрытые поломки электрического оборудования, площади дефектов ограждающих конструкций зданий и некачественную теплоизоляцию трубопроводов, необходимо использовать интеллектуальный оптико-электронный прибор контроля теплотехнических процессов.

На рис. 4 представлена схема интеллектуального оптико-электронного прибора контроля теплотехнических процессов. Он состоит из тепловизионной камеры, с помощью которой осуществляется термографическая съемка объекта исследования и создается альбом термографических карт, который поступает в блок вычисления. Затем происходит анализ и обработка результатов съемки с помощью базы данных, в которой учтены корректировки методических погрешностей, заложены справочные коэффициенты (коэффициенты излучения материалов, зависящие от температуры и длины волны и др.), алгоритмы вычислений необходимых параметров (температура теплоносителя внутри трубопровода и др.). Также в блок вычисления поступает информация с дополнительных приборов (анемометр, термометр и др.) необходимая для анализа и вычислений.

Рис. 4. Схема интеллектуального оптико-электронного прибора контроля теплотехнических процессов.

Таким образом, повышение эффективности и расширение функциональных возможностей тепловизионного контроля теплотехнических процессов необходимо для определения и оценки ряда важных показателей и параметров.

Погрешность оценки тепловизионного контроля теплопотерь и измерения величины W определяется выражением:

(2)

где для простоты рассуждений обоснованно предполагается, что температуру внутреннего и наружного воздуха можно измерить с гораздо более высокой точностью, нежели температуру на поверхности стены[1].

В ходе ряда экспериментов по практической коррекции методических погрешностей тепловизионного контроля ограждающих конструкций в строительстве на первом этапе были обследованы температуры стены из кирпича и двухкамерного стеклопакета при температурах внутреннего и наружного воздуха соответственно+21 °С и +1 °С. Таким образом, температурный напор составил 20 °С. Согласно известным рекомендациям работы с тепловизорами была измерена величина отраженной температуры фона Tотр = -2,1 °С, а затем коэффициентов излучения кирпича (? = 0,94) и оконного стекла (? = 0,85).Измерения проводились после включения тепловизора внутри помещения и выноса его наружу в течение 60 минут.

Результаты эксперимента приведены в табл. 1 для двух случаев: 1) коэффициент излучения ? = 0,95 - часто используемое практиками значение по умолчанию, а величина Tотр = +1°С, т. е. равна температуре наружного воздуха; 2) вышеуказанные параметры выбраны истинными: ? = 0,94 для кирпича, ? = 0,85 для стекла и Tотр = -2,1 °С.

Таблица 1. Точность тепловизионных измерений температуры в строительстве в зависимости от времени съемки после включения тепловизора.

Данные табл. 1 показывают, что пренебрежение временем измерения и коррекцией параметров приводит к ошибкам измерения температуры от 0,3 до 1,8 °С, в то время как введение правильных корректирующих параметров обеспечивает погрешность от 0,4 до 1,1 °С.

Дальнейшие оценки погрешностей тепловизионных измерений при различных комбинациях корректирующих параметров, а именно, отраженной температуры фона Tотр, коэффициента излучения ?, расстояния до объекта съемки L и влажности атмосферы w, приведены в табл. 2. Данные табл. 2 показывают, что, в соответствии с известными рекомендациями, наибольшие погрешности связаны с неточным заданием отраженной температуры фона и коэффициента излучения.

Полученные экспериментальные данные погрешности тепловизионного измерения температуры ограждающих конструкций строительных сооружений могут достигать 1,8 °С при невыполнении методических рекомендаций по правилам проведения тепловизионных съемок, 1,1 °С - при введении корректирующих параметров со слишком коротким временем съемки после включения тепловизора и 0,4 °С - в случае полного соблюдения методических правил съемки и наличия относительно слабых отклонений значений отраженной температуры фона и коэффициента излучения от истинных.

Таблица 2. Точность тепловизионных измерений температуры в строительстве при различныхкомбинациях корректирующих параметров.

В целом, если избыточная температура наружных ограждающих конструкций строительных сооружений относительно температуры наружного воздуха составляет от 1,5 до 5 °С в зависимости от фактического сопротивления теплопередачи ограждающих конструкций и климатических условий, то погрешность определения тепловых потерь и сопротивления теплопередаче может составлять от 10 до 170 % согласно формуле (2). При этом наибольшие погрешности имеют место при обследовании ограждающих конструкций с высоким сопротивлением теплопередаче, при неточном задании корректирующих параметров и несоблюдении методических требований к тепловизионной съемке, в частности, при использовании тепловизора немедленно после включения в условиях низких температур наружного воздуха.

Вывод

Достоверность и точность тепловизионного контроля, который не имеет альтернативы из-за его дистанционности и оперативности, можно значительно повысить за счет коррекции методических составляющих погрешности.

Литература

1. Вавилов В.П. Инфракрасная термография и тепловой контроль [Текст]: монография / В.П. Вавилов. - Москва, "Спектр", 2009. 544 с..

2. Госсорг Ж. Инфракрасная термография. Основы, техника, применение: Пер. с франц [Текст]: монография / Ж. Госсорг. - М.: Мир, 1988. - 416 с, ил.

3. ГОСТ 26629-85. Здания и сооружения. Метод тепловизионного контроля качества теплоизоляции ограждающих конструкций".

4. РД 153-34.0-20.363-99. Основные положения методики инфракрасной диагностики электрооборудования и ВЛ.

Размещено на Allbest.ru