Narastające wciąż problemy i zagrożenia środowiska oraz wymogi racjonalnego wykorzystania energii w przemyśle, transporcie, sektorze gospodarki komunalnej, a także poszczególnych gospodarstwach domowych, stawiają nowe wyzwania w zakresie projektowania i eksploatacji różnego typu obiektów, bezpośrednio lub pośrednio służących człowiekowi.
Wprowadzenie
Istnieje przy tym pilna potrzeba dostosowania obowiązujących reguł i zasad do dramatycznie narastającego problemu efektu cieplarnianego i trwałych zmian klimatycznych na Ziemi. Dają temu wyraz aktualizowane co kilka lat unormowania prawne oraz zalecenia szeregu instytucji i agend, tak krajowych jak i międzynarodowych. Ostatnie lata przyniosły w tym względzie wiele korzystnych propozycji związanych między innymi z obowiązkiem zmniejszenia emisji CO2 i poprawy efektywności energetycznej poszczególnych sektorów w krajach UE, w tym także i Polski.
Przekładając na język praktyki oznacza to, że nie tylko konieczne są zmiany wielu technologii przemysłowych, zwłaszcza tych silnie zagrażających środowisku, ale też w całym sektorze komunalnym, gdzie w Polsce wskaźniki zapotrzebowania na potrzeby energetyczne budynku były i są nadal w istotnej dysproporcji do innych państw. Wystarczy choćby wskazać na wartości jednostkowego zapotrzebowania energii w odniesieniu do 1 m2 powierzchni użytkowej, które średnio wahają się u nas w zakresie 140–220 kWh/m2 na rok. W krajach o zbliżonych warunkach klimatycznych (m.in. kraje skandynawskie), gdzie wymogi i tradycje oszczędzania energii są od wielu już lat skutecznie wdrażane, wartości tego parametru są znacznie poniżej 100 kWh/m2 na rok.
Oznacza to, że albo zdołamy w krótkim czasie poprawić efektywność energetyczną i charakterystyki cieplne naszych budynków, albo skutki takiego stanu spowodują kolejne perturbacje związane z rosnącymi kosztami ich utrzymania przy stale zwiększających się cenach paliw i nieuniknionych opłatach z tytułu przekroczeń przyznanych nam limitów emisji CO2. Jak bowiem wiadomo, nasz kraj ciągle opiera swą gospodarkę energetyczną na węglu, stanowiącym w łącznym bilansie paliwowym wciąż blisko 60% udziału w konsumpcji nośników energii pierwotnej.
Jednym z zadań, jakie stoi przed sektorem budownictwa, mającego znaczący udział w łącznym zapotrzebowaniu na energię, jest poprawa charakterystyk energetycznych budynków poprzez poprawę izolacyjności przegród, modernizację systemów instalacji wewnętrznych oraz oszczędność i odzysk energii w każdym obiekcie, odpowiednio do jego przeznaczenia i zmiennych warunków eksploatacji.
Aby sprostać tym wymaganiom konieczne jest nie tylko wprowadzanie coraz ostrzejszych norm oraz bardziej nowoczesnych technologii i materiałów w budownictwie, ale i prowadzenie bieżących przeglądów istniejących obiektów pod kątem identyfikacji źródeł strat i opracowywania propozycji niezbędnych zabiegów termomodernizacyjnych.
Tego typu przedsięwzięcia opierają się obecnie na ujednoliconych, standardowych procedurach wykonywanych w ramach audytu energetycznego budynku.
Jednym z narzędzi, wspomagających te prace jest analiza termogramów uzyskiwanych na podstawie bezinwazyjnych badań obiektów z użyciem kamer termowizyjnych pracujących w zakresie podczerwieni.
Czym jest termografia?
Jak wiadomo z elementarnego kursu fizyki, światło widzialne odpowiada tylko niewielkiej części zakresu fal promieniowania elektromagnetycznego o długościach nie przekraczających 750 nanometrów, czyli częstościach ok. 1014 Herców (rys. 1a). Dla większych długości fal to promieniowanie staje się niewidzialne, obejmując przyległy obszar tzw. „podczerwieni”, której zakres pokazano na rys. 1b.
Oba te wspomniane wyżej obszary charakteryzują się dużą intensywnością transportu energii w postaci ciepła emitowanego przez ciało, którego temperatura jest zbliżona lub wyższa od średniej temperatury powierzchni Ziemi (ok. 300 K). Techniki podczerwieni, w odróżnieniu od metod klasycznej optyki geometrycznej zajmującej się detekcją i analizą promieniowania widzialnego, wykorzystują w szczególności efekt cieplny związany z emisją promieniowania.
Otrzymywane i przetwarzane informacje dotyczą w szczególności temperatury, położenia, charakterystyki powierzchni, jak również składu chemicznego np. atmosfery, przez którą jest ono transmitowane. Dla praktyki użytkowej istotnym jest występowanie charakterystycznych pasm absorpcji i emisji w wyniku obecności substancji takich jak CO2 i para wodna, a także wysoka przezroczystość atmosfery [2, 3].
Informacje o obiekcie emitującym promieniowanie podczerwone mogą być rejestrowane i przetwarzane przez dostosowane do tego celu urządzenia techniki podczerwieni. Ich podstawowym elementem są odpowiednie detektory promieniowania podczerwonego, które przetwarzając energię tego promieniowania na inny rodzaj energii (np. energię elektryczną), pozwalają uzyskać łatwy do bezpośredniego pomiaru sygnał.
Z tego powodu termografia w podczerwieni, to w uproszczeniu detekcja fal promieniowania cieplnego, emitowanego przez ciała w niewidzialnym dla oka zakresie podczerwonym, które jest następnie przetwarzane w odpowiednim urządzeniu (np. kamerze termowizyjnej) na obraz widzialny zwany termogramem. Otrzymany po obróbce sygnału obraz charakteryzuje się występowaniem na termogramie barwnych plam, których strefy odpowiadają określonym zakresom wartości temperatur emitera (im jaśniejsze barwy, tym wyższe wartości lokalnych temperatur). Szczegółowa prezentacja typowych obrazów termowizyjnych rejestrowanych przez powszechnie dostępne urządzenia termowizyjne będzie przedstawiona w dalszej części.
Warto przy tym dodać, iż techniki termografii i termowizji są obecnie stosowane prawie we wszystkich dziedzinach badań i pomiarów z zakresu tzw. metod nieniszczących (NDT). Oprócz wielu zastosowań wojskowych i naukowych, są one powszechnie wykorzystywane w medycynie (diagnostyka ognisk zapalnych i zwyrodnień tkanek), elektroenergetyce (ocena obciążeń lub uszkodzeń sieci przesyłowych, silników i urządzeń elektrycznych, układów elektronicznych), a także w ciepłownictwie (straty cieplne z kotłów i ciepłociągów). Inne ważne zastosowania dotyczą ratownictwa (poszukiwania osób), ekologii i hydro-meteorologii (monitorowanie pokrywy lodowej, hałd i wysypisk, zanieczyszczeń powietrza i wód), a nawet w poszukiwaniach geologicznych i badaniu kosmosu.
Szczypta historii i co z niej wynika...
Z historią termografii wiążą się pomiary rozpraszania światła za pomocą pryzmatu, które na początku XIX wieku realizował angielski uczony, a także i muzyk, Sir William Herschel, często nazywany też pionierem współczesnej gwiezdnej astronomii [6]. Wykonywał on proste doświadczenie polegające na rozszczepieniu światła słonecznego i pomiarze temperatury każdego koloru otrzymywanego tą drogą. Stwierdził, że termometry leżące w „cieniu”, tuż obok czerwonego koloru światła, wykazywały również wzrost temperatury. Na tej podstawie doszedł do wniosku, że oprócz światła widzialnego istnieje jeszcze coś więcej. Ze względu na swe położenie – obok koloru czerwonego, niewidzialne promieniowanie nazwano podczerwienią. Tym samym odkrył on istotę promieniowania cieplnego w zakresie podczerwieni. Jego portret na tle oryginalnej konstrukcji teleskopu oraz stołu do eksperymentów z pryzmatem i termometrami pokazano na rys. 2.
Warto przy tej okazji zauważyć, że każdy z nas, mając okazję stanąć przy nagrzanym piecu kaflowym, mógł doświadczyć podobnego efektu, który przyprawia o rumieńce na twarzy.
Jak już wspomniano, promieniowanie cieplne wiążę się z emisją fal elektromagnetycznych, przy czym długości fal λ, które są istotne dla omawianych tu kwestii odpowiadają następującym, umownym zakresom promieniowania [2]:
- ultrafiolet (UV): 0,01 < λ < 0,35 µm,
- światło widzialne (ŚW) : 0,3 < λ < 0,75 µm,
- podczerwień (IR): 0,75 < λ < 1000 µm.
W odniesieniu do detekcji i rejestracji promieniowania cieplnego zakres podczerwieni ma najistotniejsze znaczenie. Z punktu widzenia stosowanych technik pomiarowych jest on zwyczajowo dzielony na trzy strefy (według klasyfikacji ILC/CIE):
- podczerwień bliską lub krótkofalową: IR-A (λ = 0,78 – 1.4 µm),
- podczerwień średnią lub średniofalową: IR-B (1,4 – 3 µm),
- podczerwień daleką lub długofalową: IR-C (3 - 1000 µm).
W obszarze tej ostatniej (rys. 3), bardzo istotną rolę dla praktyki pomiarowej posiada strefa tzw. podczerwieni termalnej, sięgająca długości fal około 15 µm.
Dostępne w handlu i produkowane seryjnie kamery termowizyjne na podczerwień, czyli tzw. skanery termalne, które pracują w zakresie 2-5 µm noszą nazwę krótkofalowych (SW), zaś pracujące w zakresie 8-14 µm długofalowych (LW). Taki wybór stref detekcji promieniowania ma bezpośredni związek z przepuszczalnością dolnej warstwy atmosfery ziemskiej o grubości ok. 1,5 km, w której występują tzw. „okna atmosferyczne” [2, 3] obejmujące w przybliżeniu zakres 2-5 µm oraz 8–14 µm. Poza tymi zakresami występuje bardzo silne pochłanianie promieniowania podczerwonego m.in. przez parę wodną, dwutlenek węgla i ozon, znajdujące się w atmosferze ziemskiej, co uwidoczniono na rys. 3.
Detekcja w podczerwieni jest przy tym trudniejsza niż w przypadku promieniowania światła widzialnego, ponieważ ilość wypromieniowanej bądź pochłanianej energii jest tym mniejsza i większa jest długości fali, zaś maksima emitowanej energii przypadają na zakres widzialny.
W celu bliższego przedstawienia choćby uproszczonych zasad działania kamer termowizyjnych oraz metod otrzymywania termogramów, koniecznym jest krótkie wprowadzenie, które formułuje najważniejsze prawa dotyczące promieniowania cieplnego.
Prawa promieniowania cieplnego
Jak wiadomo, każde ciało o temperaturze wyższej od zera Kelvina emituje promieniowanie cieplne o określonej intensywności i długości fali, przy czym, jeśli jego temperatura nie przekracza 500oC, to emitowane ciepło odpowiada zakresowi podczerwieni. Ciała stałe i ciecze dają ciągłe widmo promieniowania cieplnego, natomiast gazy emitują lub absorbują promieniowanie cieplne selektywnie, tj. tylko w określonym, wąskim zakresie fal. Pochłanianie promieniowania emitowanego z jakiejś powierzchni oraz przechodzącego przez warstwę powietrza (czy innego gazu), która znajduje się pomiędzy badanym obiektem a obiektywem kamery termowizyjnej, może mieć znaczący wpływ na wynik pomiaru, co już wcześniej wskazano w odniesieniu do przepuszczalności atmosfery ziemskiej.
Poniżej podano kilka najistotniejszych informacji dotyczących fizyki promieniowania cieplnego, jakie można znaleźć w każdym podręczniku traktującym o tej tematyce.
Prawo Stefana-Boltzmanna
W idealnych warunkach, tzw. „ciało doskonale czarne” o temperaturze T, zgodnie z prawem Stefana-Boltzmana emituje ze swej powierzchni energię w postaci ciepła w ilości:
oznaczono tu: ε - emisyjność powierzchni (0<ε<1), σ0 =5.67·10-8 W/m2K – stała promieniowania (ciała czarnego), T [K] – temperatura powierzchni tego ciała.
Na podstawie tego prawa można łatwo oszacować np. przybliżoną ilość energii cieplnej Es wypromieniowywanej z nieosłoniętej powierzchni skóry człowieka (ε = 0.97) w temperaturze T = 36.6oC = 310 K w odniesieniu do 1 m2 jej powierzchni:
Warto tu podkreślić, że większość ciał emitujących promieniowanie cieplne nie spełnia warunku ciała „doskonale czarnego”, posiadającego maksymalną zdolność emisji (ε = 1). Z punktu widzenia użytkowania kamer termowizyjnych parametr ten jest bardzo istotny ze względu na poprawność i wiarygodność danych przedstawionych na obrazie termogramu (im wyższa emisyjność tym dokładniejszy pomiar). Emisyjność jest zależna przede wszystkim od rodzaju materiału, stanu i barwy oraz temperatury jego powierzchni, a także długości fali i kąta padania promieniowania. Jej wartości podawane są w specjalistycznych poradnikach. W przypadku typowych materiałów budowlanych wynosi ona średnio ε =0.7-0.95, a w odniesieniu do wypolerowanych powierzchni ze złota bądź innych metali szlachetnych jest ona najmniejsza (ε=0.02-0.06). Uwagi te dotyczą wyłącznie ciał, które są optycznie nieprzepuszczalne [1-4]. Typowe wartości emisyjności różnych materiałów w zależności od ich temperatury przedstawiono na rys. 4. Łatwo zauważyć, że ze wzrostem temperatury emisyjność powierzchni większości materiałów znacznie się zmienia, co ma bardzo ważne znaczenie przy kalibracji kamery termowizyjnej przed rozpoczęciem pomiarów. Z tego powodu zwykle dokonuje się wstępnej oceny wartości kilku lokalnych temperatur, np. za pomocą pirometru optycznego lub innego miernika temperatur, a następnie wprowadza właściwą wartość emisyjności do nastaw kamery.
Prawo Kirchoffa
Aby wyjaśnić związek pomiędzy charakterystyką materiału z punktu widzenia jego zdolności do emisji promieniowania, a z kolei transportu, pochłaniania bądź odbijania energii promieniowania cieplnego, najprościej jest zdefiniować określone wskaźniki (zwykle używane w zakresie fal odpowiadających promieniowaniu widzialnemu).
Nie trudno sobie uzmysłowić, że emitowana w jednostce czasu ilość energii (strumień energii promieniowania cieplnego), które pada na określoną powierzchnię innego ciała, może być przez nie częściowo lub całkowicie pochłonięta, tj. zaabsorbowana (Ea), może podlegać odbiciu (Er), lub być przepuszczana (Ep), jak to ma miejsce w przypadku materiałów optycznie przeźroczystych i światła widzialnego:
Z powyższej zależności wynika, że odpowiednie stosunki odpowiadają udziałom poszczególnych form przesyłania lub magazynowania energii oraz określają wartości współczynnika pochłaniania (lub absorpcyjności) a, współczynnika odbicia (refleksyjności) r oraz współczynnika przepuszczalności p materiału.
Przeciwieństwem zdolności do pochłaniania promieniowania jest emisyjność ciała ε, przy czym ich współzależność wynika wyłącznie z temperatury ciała. Dla ciała doskonale czarnego, zgodnie z tym prawem są one sobie równe: a=ε=1. Ciała tzw. „szare” wykazują wartości pośrednie (0<ε<1). Oprócz podanych tu wskaźników, określonych dla całego widma emitowanego promieniowania, można też używać ich odpowiedników, które są odniesione tylko do jednej, wybranej długości fali promieniowania (a = aλ, ε = ελ, itd.).
Prawo Plancka
Ogólnym, a zarazem bardzo istotnym, jest prawo Plancka. Prawo to określa, w jaki sposób zmienia się gęstość energii promieniowania E ciała doskonale czarnego dla całego widma, wiążąc ją z długością fali λ oraz temperaturą absolutną T, jak to widać z rys. 5.
Opisane jest ono przez wykładniczą zależność:
w której:
to wielkości stałe.
Należy dodać, że podane wcześniej prawo Stefana-Boltzmana jest wynikiem sumowania (drogą całkowania) gęstości mocy promieniowania po wszystkich długościach fal przy danej wartości temperatury. Rys. 5 przedstawia typowy wykres gęstości strumienia energii promieniowania, czyli tzw. emitancję widmową, z zaznaczonymi zakresami pracy (250÷1000 K) większości kamer termowizyjnych typu SW i LW. Obszary te (o długościach fali 2-5 oraz 7-15 µm), w dużym stopniu pokrywają się ze strefą maksimów gęstości mocy promieniowania w obszarze podczerwieni, co ma istotne znaczenie ze względu na ich dokładność oraz zdolności pomiarowe.
Prawo Wiena
Jeśli temperatura nie przekracza 3000 K, wartość wyrażenia w nawiasie występującego w mianowniku we wzorze (3.) jest dużo większa od jedności.
W tym przypadku podana sprowadza się ona do prawa przesunięć Wiena o postaci:
Obrazując to graficznie (linia przerywana na rys. 5), widać, że na każdej izotermie występuje maksimum mocy promieniowania przy określonej długości fali λmax, zaś iloczyn temperatury i długości fali jest praktycznie stały:
Prawo Lamberta
Przy określaniu intensywności wymiany ciepła, co ma szczególne znaczenie dla blisko sąsiadujących przedmiotów, koniecznym jest określenie ilości energii wypromieniowanej w dowolnym kierunku. Z tego powodu oprócz wcześniej wspomnianych, wykorzystuje się także prawo Lamberta (cosinusów).
Prawo to pozwala wyznaczyć relacje pomiędzy mocą promieniowania E0n wysyłanego z danej powierzchni w kierunku normalnym „n” (często określanej jako jasność promieniowania) oraz kierunku odchylonym od normalnego E0α do powierzchni o kąt α
Zależność ta obowiązuje dla ciała czarnego, a także dotyczy przypadku rozpraszania światła. W oparciu o nie określa się ponadto pojęcia dotyczące kierunkowej luminacji światła widzialnego (jaskrawości) oraz jego natężenia. Z prawa Lamberta wynika, że jasność promieniowania ciała doskonale czarnego jest jednakowa we wszystkich kierunkach. O idealizowanym przypadku własnego promieniowania cieplnego ciała można jednocześnie mówić wówczas, jeżeli z zewnątrz nie pada na nie żadne promieniowanie. Strumień ten określony jest przez wartość temperatury i własności fizyczne danego ciała.
Ciała rzeczywiste nigdy nie spełniają jednak podanych warunków, a ich widmo jest zawsze obniżone względem doskonale czarnego (np. widmo promieniowania słonecznego). Z kolei cechy strumienia energii cieplnej emitowanej oraz odbitej nie są jednakowe ze względu na występujące różnice w długościach ich fal promieniowania, podobnie jak i zawsze występuje problem oddziaływań z ciałami je otaczającymi.
AGH
Literatura:
[1] Minkina, W.A.; Rutkowski, P.; Wild, W.: Podstawy pomiarów termowizyjnych. „Pomiary, Automatyka Kontrola”, Vol. 46 (2000), Nr.1, s. 7-14.
[2] Praca zbiorowa, Madura, H. (red.): Pomiary termowizyjne w praktyce. Agenda Wydawnicza PAK-u, Warszawa, 2004.
[3] Minkina, W.: Pomiary termowizyjne – Przyrządy i metody. Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa, 2004.
[4] Griffith, B.; Türler, D.; H. Goudey: Infrared Thermographic Systems. Lawrence Berkeley Nat. Lab., Berkeley CA, 2001, btech.lbl.gov/papers/46590.pdf
[5] Oliferuk, W.: Termografia podczerwieni w nieniszczących badaniach materiałów i urządzeń. Wyd. Biuro Gamma, Warszawa, 2008.
[6] strony internetowe: www.wiw.pl/astronomia/a-herschel.asp, www.thermo.p.lodz.pl, www.flirthermography.com, www.termowizja.biz/news.php, www.infraredinstitute.com
nastepną część artykułu zamieczono w „Świecie Szkła”10/08 (Nowoczesne narzędzie diagnostyki cieplnej. Część 2)
inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne
patrz też numer specjalny: Termowizja w przemyśle szklarskim i budownictwie