Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет» Строительный факультет Кафедра строительных конструкций Техническая диагностика. Тепловой контроль. Примеры реализации применительно к строительным конструкциям зданий и сооружений при обследовании. Выполнил: студент гр. ПГС-08-2 ______________ Вшивкова М. И. Проверил: ______________ Патраков А.Н. Пермь 2012 РЕФЕРАТ Реферат 29с., 13 рис., 12источников. ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА, НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, ТЕПЛОВОЙ КОНТРОЛЬ, ТЕПЛОВИЗИОННЫЙ КОНТРОЛЬ, ТЕПЛОВИЗОР, ЗДАНИЕ, СООРУЖЕНИЕ Объектом реферирования являются строительные конструкции зданий и сооружений. Цель работы: изучение методов и средств проведения теплового неразрушающего контроля для выявления дефектов и повреждений строительных конструкций зданий и сооружений. В результате реферирования выявлено, что методы и средства теплового неразрушающего контроля широко применяются в обследовании ограждающих конструкций зданий и сооружений. 2 СОДЕРЖАНИЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ 4 ВВЕДЕНИЕ 5 1. Техническая диагностика 6 2. Неразрушающий контроль 7 3. Тепловой вид неразрушающего контроля 8 3.1. Классификация методов теплового контроля 10 3.2. Пассивный метод теплового контроля 11 3.2.1. Контактный метод 11 3.2.2. Метод собственного излучения (бесконтактный) 12 3.3. Активный метод теплового контроля 12 3.3.1. Стационарный метод 13 3.3.2. Нестационарный метод 13 4. Измерение температуры 14 4.1. Средства контроля температуры 5. Методы и средства теплового неразрушающего контроля 14 17 5.1 Метод тепловой томографии 17 5.2 Тепловизионный метод контроля влажности 17 5.3 Вихретокотепловой метод 18 5.4 Радио тепловой метод 19 5.5 Фазовая термография 19 5.6 Теплоголографический контроль композитов 20 6. Тепловизионное обследование ограждающих конструкций зданий и сооружений21 6.1. Обнаружение скрытых дефектов 23 6.2. Контроль за влажностью кровли 26 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 28 СПИСОК ИСТОЧНИКОВ 29 3 ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ В настоящем реферате применяются следующие термины с соответствующими определениями: Неразрушающий контроль – контроль надежности и основных рабочих свойств и параметров объекта или отдельных его элементов/узлов, не требующий выведение объекта из работы либо его демонтажа [1]; Тепловой неразрушающий контроль – вид неразрушающего контроля, основанный на регистрации изменений тепловых или температурных полей контролируемых объектов, вызванных дефектами [2]; Дефект – отдельное несоответствие конструкций обследуемого здания какому-либо параметру, установленному проектом или нормативным документом (СНиП, ГОСТ, ТУ, СН и т.д.) [6]; Повреждение - неисправность, полученная конструкцией при изготовлении, транспортировании, монтаже или эксплуатации [6]; Здание – результат строительства, представляющий собой объемную строительную систему, имеющую надземную и (или) подземную части, включающую в себя помещения, сети и системы инженерно-технического обеспечения и предназначенную для проживания и (или) деятельности людей, размещения производства, хранения продукции или содержания животных [7]; Сооружение – результат строительства, представляющий собой объемную, плоскостную или линейную строительную систему, имеющую наземную, надземную и (или) подземную части, состоящую из несущих, а в отдельных случаях и ограждающих строительных конструкций и предназначенную для выполнения производственных процессов различного вида, хранения продукции, временного пребывания людей, перемещения людей и грузов [7]; Метод контроля – правила применения определенных принципов и средств контроля [1]. 4 ВВЕДЕНИЕ Создание современных зданий и проведение реконструкции эксплуатируемого фонда с учетом нормативных требований к их энергопотреблению возможно только при высоком качестве проектирования и производства, использовании современных материалов и технологий, а также своевременной и обязательной диагностике реального состояния вновь возводимых, эксплуатируемых и реконструируемых объектов. Это особенно актуально, так как исследования показывают, что сверхнормативно теряется до 40% энергии, расходуемой на отопление зданий. Разработанная соответствующей в последние организации годы нормативно-правовая достигать качественных база позволяет (нормативных) при удельных показателей энергопотребления. Одним из необходимых этапов работ на этом пути является проведение теплового контроля и определение фактических теплотехнических характеристик строительных конструкций в условиях их эксплуатации. Тепловизионное обследование является одним из основных направлений развития системы теплового контроля, которое обеспечивает возможность контроля теплового состояния оборудования и сооружений без вывода их из эксплуатации, выявления дефектов на ранней стадии развития, сокращение затрат на техническое обследование и выявление дефектов. Такая диагностика объективна, информативна, экономична и удобна. 5 1. Техническая диагностика Техническая диагностика – это область знаний, охватывающая теорию, методы и средства определения технического состояния объектов [3]. Техническая диагностика проводится в процессе обследования строительных конструкций зданий и сооружений и представляет собой комплекс мероприятий, позволяющих объективно оценивать техническое состояние конструкций, их пригодность к дальнейшей эксплуатации, выявлять имеющиеся дефекты, повреждения и обоснованно указывать на причины их возникновения. Техническая диагностика производится с использованием неразрушающих и разрушающих методов испытаний. Она является составным элементом обследования. 6 2. Неразрушающий контроль Неразрушающий контроль – одно из необходимых условий безопасности. Неразрушающий контроль особенно важен при создании и эксплуатации жизненно важных изделий, компонентов и конструкций. Неразрушающий контроль в зависимости от физических явлений, положенных в его основу, подразделяется на виды [2]: магнитный; электрический; вихретоковый; радиоволновой; тепловой; оптический; радиационный; акустический; проникающими веществами. 7 3. Тепловой вид неразрушающего контроля Тепловой контроль проводят в целях выявления дефектов и определения их параметров для оценки качества и соответствия контролируемых объектов требованиям нормативной технической документации. Тепловой контроль включает [8]: анализ конструкторской и технологической документации; определение количественных значений температуры в точках поверхности контролируемого объекта; определение дополнительных характеристик состояния поверхности и окружающей среды; качественный и количественный анализ температурных полей на исследуемой поверхности; выявление зон с аномальной температурой, обусловленной наличием дефектов в контролируемом объекте; расчет на базе произведенных измерений теплотехнических параметров объектов контроля и сопоставление их с нормативными значениями; определение параметров дефектов; оценку качества объектов контроля. Методы теплового вида контроля основаны на взаимодействии теплового поля объекта с термометрическим чувствительным элементом, преобразовании параметров поля в параметры электрического или другого сигнала и передаче его на регистрирующий прибор. Объектами тепловой дефектоскопии являются дефектные структуры, содержащие трещины, пустоты, поры, раковины, места непровара, непроклея, плохой тепло- и электроизоляции, неоднородности состава, посторонние примеси, места термического и усталостного перенапряжения и другие дефекты. Тепловой контроль основан на мониторинге, измерении и анализе изменения температурного фона на поверхности и внутри контролируемых объектов. Тепловой контроль применим к объекту при одном главном условии – наличии в контролируемом объекте конвекции тепловых потоков. Процесс отдачи тепловой энергии окружающей среде, выделение или поглощение тепла внутри объекта, перемещение по всему объему объекта, неизменно приводит к медленному изменению температуры относительно окружающего пространства. Характер распределения температурного фона по поверхности контролируемого объекта является важным техническим параметром в методе теплового контроля, так как содержит данные о процессе теплопередачи, постоянном и временном 8 режимах работы объекта, его внешнем и внутреннем устройстве и наличии скрытых внутренних дефектов. Возникновение тепловых потоков в контролируемом объекте обусловлено внешним воздействием и различными внутренними причинами. Тепловой контроль сооружений и их элементов в реальных условиях их эксплуатации рекомендуется проводить при разности температур (наличии температурного напора Т) между температурами внутреннего объема объекта контроля Tint и наружного воздуха Text не менее чем 10 °С. Наличие температурного напора образование на исследуемой поверхности T = (Tint - Text) обусловливает температурного поля, качественный и количественный анализ которого позволяет выявлять дефекты, производить оценку качества и определять характеристики контролируемого объекта. Достоинствами теплового неразрушающего контроля (ТНК) являются: Работа на расстоянии от объекта; Высокая скорость получения и обработки данных; Высокая производительность проведения испытаний; Высокое линейное разрешение: возможность контроля при одно- и двустороннем доступе к объекту или изделию; Позволяет проводить контроль изделий из любых современных материалов; Многопараметрический характер испытаний; Возможность сочетания на основе взаимодополняющего спектра работ теплового контроля с другими видами неразрушающего контроля; Совместимость со стандартными системами обработки информации; Создание поточного контроля и устройство систем контроля с автоматической системой управления. Основными приборами теплового контроля являются: тепловизоры, пирометры, термометры, логгеры данных, измерители тепловых потоков и теплопроводности, термоэтикетки и термокраска. Первичные информативные параметры – температура или тепловой поток. Они измеряются контактными или бесконтактными способами. При бесконтактном способе передача теплоты происходит в основном за счет радиации, т.е. излучения электромагнитных волн в инфракрасной или видимой части спектра в зависимости от температуры объекта. Наиболее эффективное средство бесконтактного наблюдения, регистрации температурных полей и тепловых потоков – сканирующий термовизор. 9 3.1. Классификация методов теплового контроля По ГОСТ 18353-79 «Контроль неразрушающий. Классификация видов и методов» методы теплового контроля классифицируются на [2]: По характеру взаимодействия физических полей с контролируемым объектом: Тепловой контактный – метод неразрушающего контроля, основанный на регистрации теплового потока, получаемого контролируемым объектом при непосредственном контакте с источником тепла; Конвективный – метод неразрушающего контроля, основанный на регистрации теплового потока, передаваемого контролируемому объекту в результате процесса конвекции; Собственного излучения – метод неразрушающего контроля, основанный на регистрации параметров собственного излучения контролируемого объекта. Контролируемый объект – материалы, полуфабрикаты, готовые изделия. По первичному информативному параметру: Термометрический – метод неразрушающего контроля, основанный на контактной или дистанционной регистрации температуры контролируемого объекта; Теплометрический – метод неразрушающего контроля, основанный на регистрации теплового потока, либо величин его определяющих. Первичный информативный параметр – одна из основных характеристик физического поля или проникающего вещества, регистрируемая после взаимодействия этого поля или вещества с контролируемым объектом. По способу получения первичной информации: Пирометрический; Жидких кристаллов; Термокрасок; Термобумаг; Термолюминофоров; Термозависимых параметров; Оптический интерференционный; Калориметрический. Первичная информация – совокупность характеристик физического поля или проникающего вещества, регистрируемая после взаимодействия этого поля или вещества с контролируемым объектом. Так же методы теплового контроля делятся на пассивные и активные: 10 При пассивном методе теплового контроля объект не подвергают воздействию от внешнего источника энергии. При активном контроле объект подвергают воздействию от внешнего источника энергии. 3.2. Пассивный метод теплового контроля Для объектов контроля, изготовление, строительство, монтаж, ремонт, реконструкция и (или) эксплуатация которых сопровождается выделением (поглощением) тепла в различных зонах, применяют пассивный способ теплового контроля, используемый в процессе эксплуатации технических устройств и сооружений. Пассивный контроль предназначен: для контроля теплового режима объектов контроля; для обнаружения отклонений от заданной формы и геометрических размеров объектов контроля. Пассивный метод теплового контроля проводится без теплового воздействия извне, возникновение теплового поля в объекте контроля происходит при его эксплуатации или изготовлении. При пассивном контроле может использоваться постоянно действующее, естественное тепловое возбуждение в объекте (например, стеновая панель здания, являющаяся преградой между теплым и холодным пространством). Наряду с постоянным тепловым фоном, существуют переходные тепловые процессы (например, анализ на теплопотери кровли здания, поиск участков неравномерного наслоения штукатурки на стене и т.д.). Основное преимущество метода – контроль объектов без вывода из эксплуатации и без какого-либо воздействия на них. Наиболее распространенные приборы теплового неразрушающего контроля, применяемые при пассивном методе: тепловизор, пирометр, инфракрасный термометр, измерители тепловых потоков, логгеры данных температуры. Область применения пассивного ТНК: обнаружение утечек тепла в зданиях и сооружениях, тепловизионный контроль над состоянием кровли, ограждающих конструкций, измерение тепловых потоков в помещениях. К пассивным методам относятся: 3.2.1. Контактный метод Контактный метод применяется для контроля температуры твердых, жидких и газообразных сред, размеров тепловыделяющих элементов объектов, дефектов типа нарушения сплошности. 11 Контролируемые параметры: температура, геометрические размеры и форма объектов, величина и форма дефектов. Данный метод не может применяться при температуре объекта, превышающей допустимую температуру нагрева датчика, сложной конфигурации изделия, плохом контакте датчика с объектом. 3.2.2. Метод собственного излучения (бесконтактный) Метод собственного излучения применяется для контроля температуры, измерения излучательной способности, размерного контроля тепловыделяющих элементов, контроля дефектов типа нарушения сплошности. Контролируемые параметры: температура, градиенты температур, коэффициент излучения, лучистый поток, геометрические размеры и форма объектов, величина и форма дефектов. Данный метод не может применяться при непрозрачности окружающей объект среды для теплового излучения, нестабильности коэффициента излучения во времени и пространстве, наличии подсветки объекта посторонними источниками. 3.3. Активный метод теплового контроля Для объектов, изготовление, строительство, монтаж, ремонт, реконструкция и (или) эксплуатация которых не сопровождается выделением (поглощением) тепла, проведение теплового контроля требует дополнительной тепловой стимуляции, для чего применяют активный способ теплового контроля. Активный контроль предназначен: для обнаружения дефектов типа нарушения сплошности в объектах контроля (трещин, пористостей, расслоений, инородных включений); для обнаружения изменений в структуре и физико-химических свойствах объектов контроля (неоднородность структуры, теплопроводность структуры, теплоемкость и коэффициент излучения). Активный метод теплового контроля применяется когда во время эксплуатации объект контроля не перенимает тепловое излучение от внешнего источника воздействия, достаточного для проведения теплового контроля при помощи приборов: тепловизор, пирометр, инфракрасный термометр (например, изделия из современного многослойного композиционного материала, объекты искусства, настенные фрески), либо во время эксплуатации произвести температурное измерение объекта просто невозможно из-за специфичных условий применения. 12 При проведении диагностики активным методом теплового контроля производят нагрев (передачу тепловой энергии) объекта специальными внешними источниками тепла для создания тепловых потоков внутри изделия. Наиболее распространенные приборы, применяемые при активном методе ТНК: измерители теплопроводности, тепловизор, контактный термометр. Область применения активного теплового контроля: контроль теплопроводности строительных материалов, защитных ограждений, обнаружение пустот, промоин. К активным методам относятся: 3.3.1. Стационарный метод Стационарный метод применяется для контроля теплофизических свойств изделий с анизотропией теплопроводности, контроля пористости, излучательной способности объектов. Контролируемые параметры: теплопроводность, теплоемкость, коэффициент излучения, излучательная способность. Данный метод не может применяться при недопустимой температуре нагрева объекта, временной и пространственной нестабильности излучения объекта. 3.3.2. Нестационарный метод Нестационарный метод применяется для контроля теплофизических свойств материалов с большой теплопроводностью, динамики нагрева (охлаждения) объектов, контроля дефектов типа нарушения сплошности в сотовых и композитных материалах, полимерах, контроля тепловых деформаций. Контролируемые параметры: теплопроводность, тепловая постоянная времени, резмер дефектов, температурная деформация. Данный метод не может применяться при недопустимой температуре нагрева объекта, временной и пространственной нестабильности излучения объекта. 13 4. Измерение температуры Для измерения термодинамической температуры выбирается некоторый термодинамический параметр термометрического вещества. Изменение этого параметра однозначно связывается с изменением температуры. Классическим примером термодинамического термометра может служить газовый термометр, в котором температуру определяют методом измерения давления газа в баллоне постоянного объема. Известны также термометры абсолютные радиационные, шумовые, акустические. Термодинамические термометры – это очень сложные установки, которые невозможно использовать для практических целей. Поэтому большинство измерений производится с помощью практических термометров, которые являются вторичными, так как не могут непосредственно связывать какое-то свойство вещества с температурой. Для получения функции интерполяции они должны быть отградуированы в реперных точках международной температурной шкалы. Средства измерения температуры часто проградуированы по относительным шкалам – Цельсия или Фаренгейта. На практике для измерения температуры также используют: - жидкостные и механические термометры; - термопару; - термометр сопротивления; - газовый термометр; - пирометр. Самым точным практическим термометром является платиновый термометр сопротивления – основной прибор МТШ-90. Разработаны новейшие методы измерения температуры, основанные на измерении параметров лазерного излучения. 4.1. Средства контроля температуры Термометр – прибор для измерения температуры. Существует несколько видов термометров: - жидкостные; - механические; - электрические; - оптические; - газовые; - инфракрасные; Жидкостные термометры основаны на принципе изменения объѐма жидкости, которая залита в термометр (обычно это спирт или ртуть), при изменении температуры окружающей 14 среды. В связи с запретом применения ртути во многих областях деятельности ведется поиск альтернативных наполнений для бытовых термометров. Например, такой заменой может стать сплав галинстан. Механические термометры этого типа действуют по тому же принципу, что и жидкостные, но в качестве датчика обычно используется металлическая спираль или лента из биметалла. Принцип работы электрических термометров основан на изменении сопротивления проводника при изменении температуры окружающей среды. Электрические термометры более широкого диапазона основаны на термопарах (контакт между металлами с разной электроотрицательностью создаѐт контактную разность потенциалов, зависящую от температуры). Применение микропроцессоров позволяет реалиазовать накопление и вызов максимальных и минимальных температур, вычислить скорость изменения температуры, коммутацию нескольких измерительных каналов, автокалибровку и т.д. Наиболее точными и стабильными во времени являются термометры сопротивления на основе платиновой проволоки или платинового напыления на керамику. Волоконно-оптические термометры (ВОТ) – выполняются из кварцевого моноволокна, на торце которого, вводимого в контролируемый объем, располагается микрокапсула с веществом, изменяющим свои оптические свойства при нагреве (люминофор, жидкий кристалл, двупреломляющийся кристалл и т.д.). На другом конце располагаются источник света (обычно светодиод) и фотодиод для регистрации излучения, огражденного от капсулы термодатчика. Достоинство ВОТ – отсутствие гальванической связи с объектом, нечувствительность к электромагнитным помехам, нетоксичность, малые габариты, высокое быстродействие. Тепловизор (рис.1) – устройство для наблюдения за распределением температуры исследуемой поверхности. Распределение температуры отображается на дисплее (или в памяти) тепловизора как цветовое поле, где определѐнной температуре соответствует определѐнный цвет. Как правило, на дисплее отображается диапазон температуры видимой в объектив поверхности. Типовое разрешение современных тепловизоров - 0,1 °C. В наиболее бюджетных моделях тепловизоров, Рис. 1 - Тепловизор информация записывается в память устройства и может быть считана через интерфейс подключения к компьютеру. Такие тепловизоры обычно применяют в паре с ноутбуком или 15 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. Тепловизоры делятся на: Стационарные тепловизоры Предназначены для применения на промышленных предприятиях для контроля за технологическими процессами в температурном диапазоне от −20 до +2000 °C. Такие тепловизоры, зачастую имеют азотное охлаждение, для того, чтобы обеспечить нормальное функционирование приемной аппаратуры. Основу таких систем составляют, как правило, тепловизоры третьего поколения, собранные на матрицах полупроводниковых фотоприемников; Переносные тепловизоры Новейшие разработки в области применения тепловизоров на базе неохлаждаемых микроболометров из кремния, позволило отказаться от использования дорогостоящей и громоздкой охлаждающей аппаратуры. Эти приборы обладают всеми достоинствами своих предшественников, таких как малый шаг измеряемой температуры (0,1 °C), при этом позволяют применять тепловизоры в сложных оценочных работах, когда простота использования и портативность играют очень большую роль. Большинство портативных тепловизоров имеют возможность подключения к стационарным компьютерам или ноутбукам для оперативной обработки поступающих данных. Тепловизор должен входить в стандартный набор инструментов технических инженеров, осуществляющих тепловой контроль на предприятиях. Специально для этих целей были разработаны портативные высокопроизводительные тепловизоры, которые позволяют с высокой степенью точности оценивать изменения температуры объекта в режиме реального времени. Небольшие размеры и вес подобных устройств позволяют применять их на выездных мероприятиях, когда доступ к стационарному оборудованию затруднен. Особенно широкое применение тепловизоры получили в строительстве при оценке теплоизоляционных свойств конструкций. Так, к примеру, с помощью тепловизора можно определить области наибольших теплопотерь в строящемся доме и сделать вывод о качестве применяемых строительных материалов и утеплителей. 16 5. Методы и средства теплового неразрушающего контроля 5.1. Метод тепловой томографии Тепловая томография – метод визуализации внутренних сечений объекта с помощью тепловых эффектов. Его можно реализовать импульсным облучением объекта плоским равномерным пучком излучения и последовательной регистрацией «тепловых отпечатков» дефектов или неоднородностей теплофизических параметров контролируемой структуры на противоположной стороне изделия с помощью быстродействующего тепловизора. Один из вариантов тепловой томографии основан на регистрации на термограммах в различные моменты времени тепловых изображений дефектов, расположенных на различной глубине. Записывая эти изображения, например в цифровое ОЗУ, можно затем последовательно просматривать строение слоев изделия на различной глубине. Этот метод получил название метода хронологических термограмм или динамической тепловой термографии. Исходной зависимостью теории является зависимость температурного перепада над дефектом от времени. Другой вариант тепловой томографии основан на использовании алгоритмов реконструкции изображений, используемых в традиционной технике томографа. Например, система трехмерного контроля внутренних тепловых неоднородностей объекта может быть основана на использовании «эффекта миража». С помощью цилиндрической линзы на поверхности изделия фокусируется лазерное излучение в виде узкой полоски. Вспомогательный лазерный луч направляется вдоль этой полоски над поверхностью изделия (например, полированной кремниевой пластинки и т.п.). Объект последовательно перемешается в направлении, перпендикулярном освещаемой полоске, а после каждого цикла перемещения поворачивается относительно оси, совпадающей с направлением излучения. С помощью позиционно-чувствительного фотоприемника получают матрицу «проекций» для всех положений объекта, а затем восстанавливают изображение по стандартным алгоритмам. Для трехмерного контроля используют второй пробный луч, направляемый параллельно первому над обратной стороной объекта. 5.2. Тепловизионный метод контроля влажности Наличие влаги в объектах, особенно пористых, с развитой поверхностью обусловливает интенсивный процесс испарения за счет инфильтрации воды из подповерхностных областей материала. Процесс испарения сопровождается уменьшением температуры поверхности объекта. Тепловизионные методы позволяют дистанционно наглядно и оперативно определять места скопления влаги в объектах по термографическому 17 изображению на котором зоны с повышенной интенсивностью испарения выглядят как менее нагретые. Такие методы применимы в естественных условиях при наличии градиентов температуры между объектом и окружающей средой. Использование каких-либо источников искусственного нагрева изделий (например, мощных ИК-лазеров, СВЧ генераторов и т.п.), стимулирующих повышение скорости испарения, дополнительно увеличивает информативность метода. Методы отличаются оперативностью и простотой процедур контроля. Однако количественная интерпретация результатов контроля достаточно трудна, что обусловлено сложностью анализа процесса массо- и тепло переноса, особенно в сложных метеоусловиях. В связи с этим целесообразно использовать тепловизионные методы в сочетании с каким-либо традиционным методом измерения влажности, используемым для получения калибровочных оценок влажности материала в некоторых опорных, реперных точках объекта. Например, эффективно сочетание тепловизионного метода с инфракрасной рефлексометрией, реализуемой, например, с помощью ИК лазеров или других источников. Метод инфракрасной рефлексометрии основан на зависимости интенсивности поглощения излучения в некоторых характерных линиях ИК-спектра от влагосодержания вещества. Для исключения мешающих факторов (колебания отражательной способности, обусловленные локальными изменениями шероховатости, цветности и подобными свойствами материала) применяют дифференциальный метод, который основан на сравнении коэффициентов отражения объекта в двух участках спектра. В одном участке отражение не зависит от влажности материала, но изменяется в соответствии с упомянутыми факторами, а в другом зависит от этих факторов, и от влажности. 5.3. Вихретокотепловой метод Вихретокотепловой метод основан на радиоимпульсном возбуждении металлических объектов полем индуктора, приеме теплового отклика приповерхностным преобразователем во время и после теплового воздействия и анализе амплитудно-временной информации. Ход теплового процесса определяется теплофизическими и одновременно электромагнитными параметрами объекта, что позволяет в одном эксперименте проводить исследования как тепловыми, так и вихретоковыми методами. В частности, коэффициент температуропроводности чувствителен к химическому составу, тепловому «старению», термообработке, размерам зерна сплавов. С помощью вихретокотеплового метода возможна также (при фиксированных прочих параметрах) тепловая толщинометрия ферромагнитных и тонкостенных изделий, изделий с грубой поверхностью и др. 18 Возможен одно- и двухсторонний контроль изделий. Ввод энергии в объект возможен в контактном и бесконтактном вариантах. Нагрев изделия целесообразно регистрировать с помощью бесконтактного пирометрического датчика. Характерные значения параметров приборов, реализующих вихретокотепловой метод: рабочая частота 30...100 кГц, время нагрева 1...3 с, вводимая от индуктора мощность 100...150 Вт, диапазон контролируемых толщин 0,2...2 мм, радиус индуктора 10 мм, чувствительность пирометра на базе пироэлектрического детектора 0,05...0,1К. 5.4. Радиотепловой метод В процессе теплового неразрушающего контроля необходимо регистрировать объемное распределение температуры в объектах. Одним из методов измерения температуры приповерхностных радиодиапазоне и глубинных (диапазон длин слоев изделий волн от 1 из до диэлектриков, 100...150 мм), прозрачных может в быть сверхвысокочастотная термометрия (СВЧТ). Большинство материалов непрозрачны в ИК-диапазоне спектра, но хорошо пропускают СВЧ излучение. Глубина проникновения сильно зависит от длины волны и химического состава вещества она может достигать 200 мм и более. С ростом длины волны разрешающая способность падает. Созданы средства локальной СВЧТ и системы радио-тепловидения. Следует отметить малую интенсивность потока теплового излучения от слабонагретых объектов в СВЧ диапазоне. Это требует применения сверхчувствительных детекторов (обычно сверхпроводящих болометров, охлаждаемых до гелиевых температур) с чувствительностью порядка 0,01 ... 0,65 К. СВЧТ реализуется в контактном и бесконтактном вариантах. Контактная СВЧТ реализуется с помощью антенны-зонда, например рупорного типа, которая накладывается на объект. При этом возможен как дифференциальный, так и абсолютный методы измерения. Бесконтактная СВЧТ реализуется в основном в диапазоне длин волн 1 ... 10 мм. Радиотепловое излучение объектов фокусируется на приемник с помощью радиооптических систем. 5.5. Фазовая термография При сканировании объекта сфокусированным лазерным пучком, перемещение которого синхронизировано с разверткой ИК-камеры тепловизора, можно регистрировать фазовые термограммы, т.е. зависимость от времени изменения температуры в каждой точке термограммы. Метод позволяет существенно снизить влияние неоднородности излучательной способности поверхности объекта. Особенно эффективен он для контроля тонких пленок, различных покрытий и других объектов. Применение техники синхронного детектирования позволяет дополнительно повысить чувствительность контроля. 19 В методе фазовой термографии используются быстродействующие тепловизоры. В качестве греющего лазера используют аргоновые лазеры с длинной волны от 10 мкм до 5 мкм. Излучение лазера обычно модулируется акустооптическим модулятором и на обратном ходе развертки блокируется. Расстояние (временная задержка) между греющим лучом и соответствующим мгновенным углом, зрение ИК-камеры может регулироваться. 5.6 Теплоголографический контроль композитов Контроль тонкостенных оболочек из полимерных композиционных материалов заключается в нагреве изделия и совместной регистрации термограмм и голографических интерферограмм нагретой поверхности. При этом обнаружение дефектов производится по наличию аномалий интерференционных полос, а их протяженность и глубина залегания на основании анализа термограмм контролируемой зоны изделия при его нагреве галогенными лампами. Оператор с помощью голографического интерферометра с термопластической системой записи изображений и телевизионной системой практически в реальном масштабе времени наблюдает интерферограмму. В случае обнаружения аномалий (дефектных участков) на интерферограмме дальнейшая обработка дефектоскопической информации производится с помощью программного анализа термограмм. 20 6. Тепловизионное обследование ограждающих конструкций зданий и сооружений Тепловизионное обследование – одно из передовых направлений неразрушающего тепловизионного контроля за состоянием ограждающих конструкций и электрооборудования, является эффектиным способом выявления дефектов теплоизоляции и сокращает затраты на экспертизу строительства. Тепловизионный контроль – это тепловизионная диагностика объектов в инфракрасной области спектра с длиной волны 8-14 мкм, построение температурной карты поверхности, наблюдение динамики тепловых процессов и расчет тепловых потоков. Тепловизионное обследование ограждающих конструкций зданий и сооружений проводится по ГОСТ 26629-85 «Здания и сооружения. Метод тепловизионного контроля качества теплоизоляции ограждающих конструкций» и позволяет осуществлять тепловизионный контроль качества изоляции и герметичности здания, выявить участки повышенного содержания влаги и провести обследование ограждающих конструкций зданий и сооружений. Тепловизионное обследование зданий и сооружений производится согласно следующих регламентирующих документов: СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий», СНиП 23-01-99 «Строительная климатология», РД 153-31.1-21.326-2001 «Обследование стройконструкций». Тепловизионный контроль качества теплозащиты зданий зарекомендовал себя как один из основных способов контроля состояния ограждающих конструкций ввиду удобства, оперативности и наглядности методик тепловизионного обследования. Метод позволяет выявить нарушения теплозащитных ограждающих конструкций, возникшие в результате нарушения технологии изготовления строительных материалов; ошибок и нарушений при строительстве зданий; неправильного режима эксплуатации; естественного старения материалов под воздействием погодных условий. Сегодня в строительстве применяется множество новых теплоизоляционных материалов. Их использование привело к снижению теплопотерь зданий. Но это означает, что относительно небольшие дефекты теплоизоляции, могут иметь существенные последствия. При обследовании зданий и сооружений производится тепловизионная съемка объекта контроля с записью термограмм. Съемка объекта производится с наружной стороны и с внутренней части здания (сооружения). Производятся замеры дополнительных параметров, необходимых для расчета результатов – влажность, температура воздуха внутри помещения и уличная температура. 21 Для проведения тепловизионного обследования используется тепловизор, программное обеспечение для обработки полученных результатов и другие измерительные приборы для дополнительных измерений. Возможные цели тепловизионного обследования зданий и сооружений: выявление скрытых дефектов теплоизоляции ограждающих конструкций - методами тепловизионного контроля; определение теплопотерь здания и проверка соответствия теплоизоляции нормативам; - составление энергетического паспорта здания по данным отчета тепловизионного обследования. Тепловизионное обследование зданий и сооружений позволяет определить: - Скрытые дефекты теплоизоляции или конструктивные недоработки: некачественный монтаж оконных блоков, дефекты теплоизоляции стыков между панелями, мостики холода (рис.2); Рис. 2. Дефекты теплоизоляции межпанельных швов многоквартирного дома - Реальные теплопотери и сравнение их с нормативными; - Места возможного запотевания стен, выпадения конденсата (рис. 3); Рис. 3. Опасность выпадения конденсата на внутренней поверхности наружной ограждающей конструкции 22 - Недоработки в разводке отопительной системы, засоренность батарей (рис. 4); Рис. 4. Засорение секций радиатора отопления - Места протеканий в кровле; - Места прокладки труб или электрических нагревателей в обогреваемых полах. Инфракрасную съемку следует дополнять визуальным осмотром или фотографированием. Видимое и инфракрасное изображения, как правило, не совпадают по текстуре. Эффективным результатом диагностики является компьютерное совмещение видимого и теплового изображения одного и того же участка конструкции, или оконтуривание дефектных зон на видимом изображении после их обнаружения на термограммах. На основе результатов тепловизионной диагностики получают достоверную и объективную информацию о тепловом состоянии объекта, принимаются эффективные меры, обеспечивающие безопасную эксплуатацию объекта, заранее планируются ремонтновосстановительные работы. 6.1. Обнаружение скрытых дефектов Обнаружение скрытых дефектов основано на использовании принципа сравнения текущей зоны контроля с эталонной (бездефектной) зоной. Эталонную зону указывают из технологических соображений или определяют в ходе тепловизионного осмотра, например, путем оценки сопротивления теплопередаче. Обнаруживать скрытые дефекты строительства тепловизионным методом можно внутри и снаружи помещений. Наружный осмотр более пригоден для оценки общих теплопотерь зданий и сопротивления теплопередаче, а также для выявления существенных дефектов, которые значительно искажают поверхностное температурное поле. Внутренний осмотр является более детальным и предназначен для обнаружения, в том числе незначительных строительных дефектов и анализа теплового режима помещений. 23 Примеры распространенных скрытых дефектов: 1. На фотографии и термограмме (рис. 5) изображен один и тот же участок стены. По температурной шкале мы видим, что желтые и красные цвета означают высокую температуру, голубые и синие – низкую. Синий треугольник на стене у потолка – это пустота, в которой должен быть утеплитель, но по какой-то причине его там нет. Рис. 5. Участок стены без утеплителя 2. На термограмме (рис. 6) видно темно-синее пятно в углу (b) – это трещина в наружной стене, через которую в стену проникла влага и холод. Небольшая аномалия (a) – приток холодного воздуха в результате некачественной установки оконного блока. Рис. 6. Участок стены с трещиной, некачественная установка оконногоблока 3. Заделка плиты междуэтажного перекрытия в наружную стену (рис. 7). Слева – правильный вариант заделки (тонкая красная стрелка изображает поток тепла, уходящего наружу), справа – неправильный вариант (стрелка гораздо толще). Термограмма (рис. 8) показывает вариант с неправильной заделкой плиты: малиновый и белый цвет стены указывает на мощный тепловой поток. Рис. 7. Правильный и неправильный варианты заделки плит междуэтажного перекрытия 24 Рис. 8. Неправильная заделка плиты перекрытия 4. Намокший утеплитель (рис. 9). Рис. 9. Намокший утеплитель 5. Брак изготовления и установки окон (рис. 10). Рис. 10. Брак изготовления и установки окон 6. Стены дома слишком тонкие для нашего климата (рис. 11). Радиаторы отопления, установленные под окнами, прогревают стены насквозь (красно-желтые пятна). 25 Рис. 11. Тонкие стены 7. Дефекты утепления кровли (рис. 12). Рис. 12. Дефекты утепления кровли 6.2. Контроль за влажностью кровли Невидимые глазу скопления воды в кровле плоских крыш производственных зданий являются серьезным дефектом, приводящим к преждевременному разрушению кровли и протечками внутрь помещений. Аномальная поверхностная влажность может быть обнаружена в стационарном режиме за счет испарения воды и соответствующего понижения температуры, однако вода, скрытая внутри многослойной крыши: за счет высокой теплоемкости воды дефектные участки могут быть видны холодными в дневное время и теплыми ночью. На тепловизионном изображении (рис. 13) четко видны теплые участки, указывающие на влажную теплоизоляцию. 26 Рис. 13. Обследование плоской кровли Обследование крыш можно проводить путем обхода крыши с тепловизором, однако в этом случае производительность осмотра низка и затруднено получение общей картины. В настоящее время используют тепловизионную съемку плоских крыш с воздуха (с борта вертолета или самолета). При этом обеспечиваюти высокую производительность обследования при сравнительно простой идентификации и координатной привязке дефектных мест. 27 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Выявлено, что не все изученные методы тепловой томографии достаточно используются для выявления дефектов и повреждений несущих конструкций зданий и сооружений. Тепловизионное обследование является одним из основных направлений развития системы теплового контроля, которое обеспечивает возможность контроля теплового состояния оборудования и сооружений без вывода их из эксплуатации, выявления дефектов на ранней стадии развития, сокращение затрат на техническое обследование и выявление дефекта. Такая диагностика объективна, информативна, экономична и удобна. При использовании тепловых методов контроля скорость получения и обработки данных выше, чем при любом другом методе контроля. 28 СПИСОК ИСТОЧНИКОВ 1. ГОСТ 16504-81 «Испытания и контроль качества продукции. Основные термины и определения» 2. ГОСТ 18353-79 «Контроль неразрушающий. Классификация видов и методов» 3. ГОСТ 20911-89 «Техническая диагностика. Термины и определения» 4. ГОСТ 23483-79 «Контроль неразрушающий. Методы теплового вида. Общие требования» 5. ГОСТ 26629-85 «Метод тепловизионного контроля качества теплоизоляции ограждающих конструкций» 6. СП 13-102-2003 «Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений» 7. Технический регламент о безопасности зданий и сооружений, введенный в действие Федеральным законом Российской Федерации от 30.12.2009 года N 384 – ФЗ 8. РД 13-04-2006 «Методические рекомендации о порядке проведения теплового контроля технических устройств и сооружений, применяемых и эксплуатируемых на опасных производственных объектах» 9. Неразрушаюший контроль и диагностика: Справочник / В.В. Клюев и др.; Под ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 1995. 488 с. 10. http://t-ndt.ru/index.php?id=28 11. http://ru.wikipedia.org/ 12. http://www.visiterm.ru 29
