Д.Чихунов, "Практическое применение термографии. Примеры. Строительная инженерия"
 

Дмитрий ЧИХУНОВ,
главный специалист по ПНК, ЗАО «Геостройизыскания»

Практическое применение термографии. Примеры.

Как правило, мы начинаем измерять температуру уже при наступлении болезни. И только осложнения заставляют нас сожалеть о несвоевременной диагностике болезни. В строительстве же несвоевременная диагностика неисправности оборудования или дефекта конструкции может привести не только к большим убыткам, но и к человеческим жертвам.

Люди старшего поколения помнят нашумевший в свое время случай.

В 1984 году при сооружении восточного участка БАМа произошла авария при проходке Кодарского тоннеля. В статье В. Шилова «Где задержалась бригада Варшавского?», опубликованной в газете «Советская Россия» 3 июня 1984 года, было написано следующее: «Работы велись строго по утвержденной технологии. Разрыв между проходкой и бетонной отделкой был в пределах допустимого. Почему произошел обвал? Очередная загадка вечной мерзлоты. Правда есть особенность: температурный режим контролировался по нижним отметкам. Замеры не вызывали особой озабоченности. Только позднее обнаружилось, что под самым сводом было вдвое теплее, чем внизу». Не было загадки вечной мерзлоты, был обычный фазовый переход «твердое тело (лед)–жидкость (вода)», при котором резко меняются основные физико-механические свойства грунтов. Катастрофы могло не быть, если бы постоянно производились измерения температуры по всему периметру тоннеля, а не только по нижним отметкам, и вовремя были бы приняты необходимые меры по поддержанию температурного режима свода и его креплению. Но для того чтобы вести постоянные замеры температуры свода тоннеля, надо было бы организовать к нему доступ для периодического и частого измерения температуры либо смонтировать и постоянно наращивать систему термодатчиков, закрепляемых на своде, связав их проводами с регистрирующей аппаратурой.

Современная техника позволяет решить эту проблему просто: нужно использовать тепловизор либо инфракрасный термометр (пирометр). Эти приборы позволяют измерять температуру объектов на расстоянии. С их помощью можно было бы получить температурные данные о своде тоннеля, стоя на его основании. А с помощью тепловизора – и инфракрасную «фотографию» тоннеля, дающую полное представление о температуре в каждой точке объекта.

Радиационный тепловизор представляет собой аналог видео-фотокамеры. Съемка тепловизором производится в инфракрасной части спектра излучения объекта. Полученные таким образом «фотографии» называются термограммами. По термограмме можно определить температуру в каждой точке объекта. Пирометры, в отличие от тепловизоров, позволяют определить температуру на некоторой сферической или эллиптической области поверхности.

Размеры области определения температуры как тепловизором, так и пирометром зависят от оптического разрешения (показателя визирования) прибора. В пирометрии показателем визирования называется отношение диаметра пятна контроля прибора на объекте измерения к расстоянию до объекта. В технической документации на пирометр, как правило, указывается значение показателя визирования на определенном расстоянии до объекта или приводится диаграмма поля зрения.

Для большинства применений тепловизоров и пирометров в строительстве и обследовании сооружений достаточным будет оптическое разрешение 12 : 1 ј 50 : 1, а для применения в энергетике, производстве материалов зачастую требуются модели с более высоким показателем визирования – 50 : 1 ј 120 : 1. Модели с еще более высоким разрешением пользуются ограниченным спросом и необходимы в специфических ситуациях.

Пирометры по технологии применения делятся на ручные и стационарные. Стационарные неконтактные термометры, монтируемые на оборудовании, по параметрам сигналов полностью идентичны стандартным термопарам или выдают стандартный линейный потенциальный или токовый сигнал и могут заменить стандартные термопары и обеспечить контроль температурных режимов технологического процесса, а в случае необходимости – и управление им.

Для корректного пересчета инфракрасного излучения в температуру необходимо учитывать излучательную способность реальных материалов. Для числового выражения излучательной способности введен коэффициент излучения, который у каждого материла свой.

Для большинства строительных материалов этот коэффициент близок к коэффициенту излучения органических тел и составляет 0,95. Это позволяет использовать для технологических операций в строительстве недорогие модели пирометров с нерегулируемым коэффициентом излучения, так как он устанавливается равным 0,95 аппаратно.

Но для использования инфракрасных приборов в энергетике и производстве материалов возможность регулировки коэффициента излучения является обязательным требованием. Так, например, коэффициент излучения железа – оцинкованного окрашенного и неокрашенного – отличается примерно в четыре раза.

Ну и, пожалуй, главнейшей характеристикой при выборе модели инфракрасного измерителя температуры является диапазон измеряемых температур. В настоящее время бесконтактные пирометры способны измерять температуру в диапазоне от –50°С до +3000°С.

Приборы

Среди зарубежных производителей тепловизоров наиболее широко представлен производитель RAYTEK (США) с их моделью тепловизора Ti30 по революционно низкой стоимости. Среди прочих компаний стоит отметить Flir Systems с их приборами ThermaCam 1000, 695, P40, P60, E2, а также Nec с моделями ТН5104, ТН6100, ТН6200.

Из российских производителей тепловизоров можно выделить, на мой взгляд, только фирму «Иртис» с их популярной моделью «Иртис-2000». Отсутствие других производителей отечественных тепловизоров можно объяснить тем, что основная деталь прибора – неохлаждаемая ИК-матрица, выпускается, в основном, в США, а также в Японии, Англии и Франции. При этом США ограничивают свободную продажу этих матриц как продукта двойного (военного и гражданского) назначения.

В России хорошо освоен выпуск громоздких матриц, охлаждаемых с помощью сжиженных газов. Производство же неохлаждаемых матриц находится в начальной стадии.

Из зарубежных поставщиков пирометров отмечу RAYTEK с обширным рядом как ручных, так и стационарных моделей пирометров, а так же Mikron (США) и Eurotron (Италия).

Что же касается российских производителей, то здесь они преуспели. Отмечу «Техно Ас», «Инфратест», «Термоконт», «Диполь». Причем характерной особенностью подавляющего большинства российских пирометров является выдающаяся по своим характеристикам оптика (разрешение 100 : 1 ј 150 : 1), спрятанная в примитивный корпус огромных размеров, да еще часто изготовленный из металла. Интересно то, что большинству потребителей такие высокие характеристики оптики прибора излишни и только увеличивают стоимость оборудования. Стоимость отечественных приборов значительно выше импортных аналогичной потребительской группы. Думаю, это из-за применения «выдающейся» оптики.

Вариантов использования пирометров и тепловизоров для контроля в строительстве очень много. Это может быть и простейший контроль температур асфальта и бетона, и обследование сооружения для выявления энергопотерь (так называемый энергоаудит). С энергоаудитом связана одна очень интересная особенность, о которой очень часто спрашивают непрофессионалы, – можно ли измерять температуру пирометром через стекло? Дело в том, что стекло является прозрачным в видимой части оптического диапазона. Для пирометра же стекло будет таким же непрозрачным материалом, как для нас стена. И именно поэтому на термограмме при энергоаудите зданий очень хорошо выделяются «квадратики» окон, так как через них происходят наибольшие энергопотери. Сравнивая термограммы от трехкамерных пластиковых стеклопакетов и обычных двойных деревянных рам, легко можно сделать заключение об эффективности использования стеклопакета.

Но, как правило, потери энергии идут не только через окна. Установка определенного типа оконных рам – проектное решение либо добрая воля собственника. Гораздо важнее для обитателя жилья энергопотери через дефекты конструкции либо через участки, где был допущен брак при возведении сооружения.

Соединения, заполненные пеной, хорошо защищены от продувания, но пена может быть неэффективна как теплоизолятор или произведенные работы выполнены с браком, с пустотами. В результате происходят потери тепла.

При низких температурах наружного воздуха и высоких – внутри помещения произойдет отпотевание, влага будет накапливаться в пене.

Если пена в контакте с поверхностью стены с температурой ниже точки замерзания воды, пена превратится в ледяной монолит и станет проводником тепла.

На тепловизионном изображении видны красные горизонтальные полосы, это швы. Швы пропускают тепло. Снаружи они выглядят хорошо, но не выполняют своих функций. Температура швов разная, и это зависит от того, как качественно выполнен шов. Анализируя термограмму и зондируя проблемные участки, можно узнать, что явилось причиной потерь тепла.

Приведя все термограммы объекта к единой температурной шкале, мы увидим реальную картину теплопотерь здания через ограждающие конструкции. Естественно, температура внутри помещений должна быть одинаковой, иначе придется разбираться с каждым помещением отдельно.

Еще более широко применение тепловизоров в энергетике и прозводстве материалов. Ниже приведены некоторые типичные примеры использования тепловизоров. Все термограммы сделаны с использованием тепловизора Ti30.

1. Электрическая распределительная сеть

В отраслях энергетики инфракрасные камеры используются давно в целях обнаружения дефектов электрического оборудования и планово-предупредительного технического обслуживания оборудования. Вклад инфракрасной термографии может быть поистине бесценным, так как с помощью тепловизора можно обнаружить неисправности до того, как они превратятся в серьезную проблему. К тому же, энергетика – область повышенных требований к технике безопасности, и зачастую приблизиться к оборудованию не представляется возможным в силу объективных причин.

2. Нефтехимическая промышленность

На нефтехимических предприятиях используется большое количество паропроводящих труб, труб с горячей водой. Эти трубы могут быть повреждены, изношены.

Тепловизор позволяет пользователю идентифицировать перегретые участки, обнаружить утечку энергии или убедиться в правильности температуры того или иного технологического процесса.

С помощью инфракрасной камеры можно обнаружить утечку, не заметную человеческому глазу.

3. Задачи профилактического обслуживания

Инфракрасное обследование может решать задачи профилактического и планово-предупредительного обслуживания многих электрических и механических устройств, используемых в производственных процессах, таких как переключатели, электрические выводы, коннекторы, предохранители и т. п. устройства. Преимуществом использования тепловизора для таких типов работ является быстрота и удобство, а также возможность не отключать оборудование во время инспекции.

4. Технологические задачи

Инфракрасная термография – эффективное средство контроля расхода в технологических процессах.

Раннее обнаружение утечек или коррозии оборудования может помочь избежать многих бед, например утечки газа, возникновения пожара или взрыва. Многие процессы проходят в условиях действия высокой температуры окружающей среды. Тепловизор используется на расстоянии, и неисправности могут быть обнаружены в куда более неблагоприятных условиях.

5. Тепловые процессы

Дефекты оборудования, его износ или перенос нагрузки могут быть быстро обнаружены с помощью тепловизора.

6. Применение тепловизоров при обследовании зданий

Процесс диагностики и решения проблем, таких как сохранение тепла, проникновения влаги, повреждения кровли, плохое качество системы кондиционирования и вентиляции, качество конструкции и т. п. может быть очень сложным. Тепловизор является необходимым, ценным инструментом в этих ситуациях, позволяя владельцу здания, архитектору или инспектору обнаружить проблему, проверить качество и найти эффективное решение.

Термограммы являются наглядным инструментом для диагностики оборудования, но также они далеко не дешевое решение. В принципе, все те же задачи можно решить и с помощью гораздо более дешевых пирометров, но за гораздо более длительный срок и менее наглядно.

Выводы

1. Инфракрасные приборы позволяют измерять температуру мгновенно в отличие от обычных термометров, обладающих инерционностью.
2. ИК термометры позволяют измерять температуру объектов, доступ к которым невозможен или затруднен.
3. ИК термометры позволяют безопасно проводить температурную диагностику опасных объектов.
4. При использовании ИК тепловизора можно получить такой объем информации, сбор которой с помощью обычных средств занял бы огромное количество времени и средств m

Литература, использованная при подготовке материала

1. Сергеев С.С. Контроль энергетического оборудования с помощью пирометров.
2. Тезисы II Всероссийского учебно-методического семинара НПА «Техно Ас», г. Коломна.
3. Васильев Р.В. Тепловизионное обследование зданий НПА «Техно Ас».
4. Средства и методы теплового контроля. «Круглый стол». – В мире НК № 1(27), 2005.–С. 61–63.