Wykorzystanie w budownictwie metody termowizji w podczerwieni

Zapoczątkowane przez F.W. Herschla prace nad konstrukcją teleskopów astronomicznych doprowadziły przypadkowo do odkrycia przez niego w 1800 r. promieniowania podczerwonego. Odkrycie to zapoczątkowało wiele prac naukowych i przyczyniło się do rozwoju różnych dziedzin wykorzystujących prawa promieniowania elektromagnetycznego. Jedną z nich jest termowizja o wprost nieograniczonym zakresie zastosowań naukowych i praktycznych. Wykorzystanie kamer termowizyjnych w przemyśle hutniczym, szklarskim, wojskowym, w energetyce, budownictwie, medycynie i ratownictwie pozwala analizować badane obszary w sposób bezstykowy i bezinwazyjny [1]. W diagnostyce dostarczają wiedzy nie tylko o zjawiskach termodynamicznych i cieplnych, lecz także o izolacyjności i wymianie ciepła [2, 3].

Zasady pomiaru termograficznego

Termografia jest nazwą naukową techniki rejestracji obrazów, która polega na detekcji promieniowania w paśmie podczerwieni i w efekcie zamianie tego promieniowania na obraz widzialny. Dzięki temu można obserwować i oceniać rozkład temperatur oraz ich wartości na zewnętrznej powierzchni badanego obiektu. Nazwą stosowaną potocznie jest termowizja, która, inaczej mówiąc, polega na mierzeniu fal elektromagnetycznych emitowanych przez ciała o temperaturze wyższej od zera bezwzględnego. Każdy obiekt zatem, którego temperatura jest wyższa niż 0ºK, jest źródłem promieniowania podczerwonego oznaczonego w skrócie „IR” (infrared).

Badania termowizyjne wykonuje się przy użyciu kamer termowizyjnych. Są to urządzenia elektroniczne przetwarzające widmo niewidzialnego promieniowania podczerwonego z powierzchni odległych obiektów w odpowiednie sygnały elektryczne, zamieniane następnie na sygnały wizualne. W pomiarach termowizyjnych wykorzystuje się więc podstawowe prawa, parametry i zjawiska fizyczne, takie jak: ciepło, temperatura, emisyjność, energia, widmo promieniowania, prawo Plancka i prawo Stefana-Boltzmanna [4]. Poniżej omówione zostaną niektóre z nich.

Ciepło

W większości przypadków część wytworzonej pracy zostaje zamieniona na ciepło. Następnie zaczyna się proces wyrównywania temperatury w danym układzie. Ciepło mierzone w watach jest przekazywane ośrodkom o niższej temperaturze drogami:

• przewodzenia (wewnątrz ciała),
• konwekcji (unoszenie ciepła, swobodne i wymuszone),
• promieniowania cieplnego.

Temperatura

Jest umowną wielkością fizyczną skalarną charakteryzującą stan równowagi termodynamicznej. Umowności tej dowodzi występowanie skal empirycznych: Celsjusza, Fahrenheita, a także skali bezwzględnej – Kelvina, pomiędzy którymi występują następujące zależności:

T_C = T_K − 273,16 T_C = (T_F − 32) 5 : 9 (1).

W technikach termografii brak jest jakiegokolwiek oddziaływania układu odbiorczego na powierzchnię, nie ma bowiem między nimi kontaktu cieplnego. Jednak interpretacja wyników pomiaru musi uwzględnić cechy promienne powierzchni, otoczenia, ośrodka przenoszenia promieniowania oraz cechy urządzenia odbiorczego. Jedną z nich jest emisyjność.

Współczynnik emisyjności

Jest istotnym parametrem mającym wpływ na wynik pomiaru termograficznego. Związany jest on ściśle ze stanem powierzchni badanego obiektu.
Dla ciała doskonale czarnego emisyjność wynosi zawsze 1, co oznacza, że takie ciało pochłania całą energię, nie odbija jej ani też jej nie przepuszcza.
W rzeczywistości obiekty odbiegają od tego modelu, dlatego przy pomiarach należy uwzględnić tę odchyłkę przez wprowadzenie współczynnika emisyjności. Jego wartość określa możliwość wysyłania promieniowania IR przez dane ciało [2].

Prawa promieniowania termografii w podczerwieni

Widmo promieniowania
Materia świata wysyła i pochłania w sposób nieprzerwany promieniowanie elektromagnetyczne. Termicznemu wzbudzeniu przejść elektronów towarzyszy wysyłanie kwantowanej energii w postaci fotonów. Energia „W” takiego promieniowania zależy od długości fali promieniowania i może być opisana równaniem:

W_λ = hc/ λ  (2),

w którym:
h = 6,63·10^–23 – stała Plancka [Js],
c = 3·108 – prędkość światła [m/s],
λ – długość fali [m].

Fale podczerwone „IR”: 0,76–1000 μm. Termografia wykorzystuje zakres: 2–13 μm (rys. 1).

Udział promieniowania podczerwonego (0,76–1000 μm) w całym widmie promieniowania

Prawo Plancka

Pozwala wyznaczyć widmowy rozkład monochromatycznej emitancji promienistej ciała czarnego. Dla każdej długości fali emitowana energia wzrasta wraz z temperaturą (więc także emitowane jest promieniowanie z obszaru widzialnego). Z obniżeniem temperatury zakres widma odpowiadający maksymalnej emisji energii przesuwa się w kierunku fal dłuższych (oko ludzkie dopasowane jest do odbioru promieniowania słonecznego – źródła bardzo wysokotemperaturowego, bo o temperaturze ok. 6000ºK, a maksimum energii promieniowane jest w paśmie 0,4–0,8 μm.

Prawo Stefana-Boltzmanna

Określa zależność między emitancją promienistą do półprzestrzeni, ciała czarnego a temperaturą bezwzględną [2]:

E = σ T⁴ (3),

gdzie: σ = 5,6693·10^–8 – Stała Stefana-Boltzmanna [Wm^–2K^–4].