Теория термодинамики

Работа тепловизоров серии MVR RY основана на законах термодинамики, которая изучает теплопроводящие свойства различных материалов. Каждый термографист должен знать основы термодинамики и понимать возможности и ограничения используемых тепловизоров при обследовании различных объектов, оборудования и материалов.

Основы термодинамики

Основы термодинамики, термография, повышение квалификацииТермодинамика – раздел физики, изучающий теплопроводящие свойства веществ, способы передачи и преобразования тепловой энергии, влияние тепловой энергии на состояние различных веществ. Для эффективного использования современных инфракрасных систем важно понимать основные принципы излучения и передачи тепловой энергии. Только глубокое понимание основ термодинамики позволяет на все 100% использовать заложенные возможности тепловизионных систем и правильно интерпретировать полученные данные.

Энергия – это способность совершать работу. Из школьного курса физики мы знаем, что энергия может существовать в разных видах и преобразовываться из одного вида в другой. Например, при сжигании угля на ТЭЦ его химическая энергия преобразуется в тепло, которое затем преобразуется в механическую энергию вращения ротора генератора и, наконец, на выходе генератора превращается в электрическую энергию тока.

Согласно первому закону термодинамики, при преобразовании работы в теплоту и наоборот, всегда сохраняется равенство между работой и теплотой. Энергия не создается из ничего и не исчезает бесследно, а только превращается из одного вида в другой с побочным выделением тепла.

Температура – физическая величина, характеризующая степень нагретости тел. В обыденной жизни мы всегда неосознанно проводим сравнение температуры какого-либо объекта с температурой своего тела или с температурой окружающего воздуха, температурой кипения воды и т.д.

Согласно второму закону термодинамики все процессы в природе неизбежно заканчиваются термодинамическим равновесием. Тепловая энергия от более нагретого тела, обладающего большей тепловой энергией, всегда передается к телу с меньшей температурой (соответственно, с меньшей тепловой энергией) до достижения термодинамического равновесия. Иными словами, горячее тело со временем не станет горячее, а холодное – холоднее, в природе всегда горячее тело остывает, а холодное – нагревается. Так у нас остывает чайник, снятый с плиты, или нагреваются предметы, стоящие рядом с раскаленной печью. На атомном уровне передача тепла приводит к возбуждению электронов и их переходу на другой энергетический уровень, либо к изменению амплитуды вибрации атомов или молекул.

Способы передачи теплоты

Передача тепловой энергии производится за счет теплопроводности, конвекции и теплового излучения, процессы которых могут происходить в стационарном и нестационарном режимах. Примером стационарного режима может служить равномерная передача тепла полностью прогретой машиной, работающей с постоянной нагрузкой. Примером нестационарного режима может служить остывание/нагревание той же самой машины после ее отключения/включения. На практике, за счет действия различных возмущений и флуктуаций, не существует идеальных стационарных потоков тепла, но для решения задач термографии можно пренебречь небольшими значениями нестационарности.

Теплопроводность – это передача тепловой энергии при прямом контакте взаимодействующих объектов.

Естественная конвекция – это передача тепловой энергии за счет (как правило, восходящих и нисходящих) потоков, циркулирующих между холодными и теплыми областями в жидкостях или газах.

Излучение – это передача тепловой энергии посредством электромагнитных волн в отсутствии промежуточной среды.

Понятие теплоемкости

Теплоемкость – это физическая величина, характеризующая количество теплоты, необходимое для нагревания тела на один градус. Более популярно, это способность материалов поглощать и сохранять теплоту. Для веществ с малой теплоемкостью требуется меньше тепловой энергии, чем для веществ с большой теплоемкостью. Например, теплоемкость воздуха значительно меньше теплоемкости воды, поэтому нужно значительно больше энергии для нагрева чайника с водой, чем для воздуха в объеме этого чайника.

Изменение температуры объекта определяется не только его теплоемкостью, но и от способа (скорости) передачи тепла. Различие теплоемкости различных веществ очень полезно с точки зрения термографии. К примеру, именно из-за разности теплоемкости воды и воздуха мы можем видеть границу уровня воды на термограмме, так как в обычных условиях вода всегда холоднее окружающего воздуха.

Теплопроводность

 Тепловое излучение конвекция термография и энергетические обследованияТеплопроводность – это передача тепловой энергии при прямом контакте взаимодействующих объектов. Данный вид передачи тепловой энергии характерен для всех твердых тел и в некоторой степени для жидкостей. Передача тепла происходит за счет передачи энергии от более теплых молекул к соседним, более холодным молекулам. Например, благодаря теплопроводности, теплеют пальцы от чашки горячего кофе, или наоборот пальцы охлаждаются, если мы держим в руке бутылку минералки из холодильника. Скорость передачи тепла определяется коэффициентом теплопроводности вещества и исходной разностью температур между взаимодействующими объектами. Соотношения теплопроводности математически описываются законом Фурье. Качественно закон Фурье можно проиллюстрировать на примере той же чашки кофе. Если горячую чашку кофе взять через бумажную салфетку, то теплообмен будет значительно меньшим, чем в случае прикосновения к чашке голой рукой. Связано это с меньшей теплопроводностью бумажной салфетки по сравнению с теплопроводностью кожи руки. Если мы хотим согреть пальцы с мороза, то мы обязательно возьмем в руки чашку с горячим кофе, нежели с остывшим. В первом случае мы быстрее согреем пальцы за счет большей разности температур между пальцами и чашкой кофе. Также очевидно, что при постоянной скорости теплообмена энергии передастся больше, чем больше площадь соприкасающихся поверхностей.

Теплопроводящие материалы – это материалы с высоким коэффициентом теплопроводности. К ним в первую очередь относятся металлы, среди которых лучшим проводником тепла является серебро. Также хорошо проводят тепло медь, алюминий и железо.

Изоляторы (теплоизоляторы) – это материалы с малым коэффициентом теплопроводности и плохо передающие тепло. Хорошим теплоизолятором является воздух, а из используемых на практике: изоляционная пена, многослойная ткань, минеральная вата и другие материалы. Высокие теплоизоляционные свойства изоляторов обусловлены наличием в их структуре микроскопических полостей, заполненных воздухом.

Конвекция

Конвекция – это передача тепловой энергии за счет (как правило, восходящих и нисходящих) потоков, циркулирующих между холодными и теплыми областями в жидкостях или газах. Очевидно из определения, что конвекция сопровождается массовым перемещением молекул. Наглядным примером конвекции в окружающей природе являются грозовые облака и сильная турбулентность в области их нахождения. Облака и турбулентность появляются за счет подъема теплых и влажных масс воздуха и опускания к земле холодных масс.

Количество тепла, переносимое конвекцией, зависит от разности температур и площади конвекции. К примеру, большой и горячий радиатор отопления значительно быстрее согреет воздух в помещении, нежели маленький и чуть теплый радиатор. Конвективный перенос тепла также зависит от скорости и направления потока жидкости или газа и от состояния поверхности объекта. Математически соотношения конвекции описываются законом охлаждения Ньютона.

Различают естественную и вынужденную конвекцию. Естественная конвекция наблюдается, когда в представленных самим себе жидкостях или газах теплые слои поднимаются вверх, а холодные опускаются вниз. Примером вынужденной конвекции является принудительная циркуляция воздуха в помещении с помощью вентилятора. При вынужденной конвекции естественные соотношения нарушаются и, в целом, скорость передачи тепловой энергии напрямую определяется скоростью вынужденного потока. По этой причине, находясь под потоком воздуха от вентилятора и быстрее отдавая тепло, мы ощущаем живительную прохладу. В окружающей природе ветер очень сильно влияет на температуру объектов, и этот факт необходимо учитывать при проведении тепловизионной съемки.

Излучение

Излучение – это передача энергии, включая и тепловую, посредством электромагнитных волн в отсутствии промежуточной среды.  В связи с необязательным наличием промежуточной среды, излучение возможно и в вакууме. Наглядным примером электромагнитного излучения является обычные солнечные лучи, нагревающие все, чего они достигают.

Электромагнитные волны могут иметь разную длину волны и в зависимости от этого различают излучение в диапазоне видимого света, инфракрасное излучение, излучение радиоволн и др. С точки зрения термографии нам интересно излучение в диапазоне видимого света и инфракрасное излучение.

Человеческий глаз и обычная камера улавливают излучение в диапазоне видимого света, а тепловизоры – инфракрасное излучение.

Согласно закону Стефана-Больцмана, испускательная способность тела пропорциональна его температуре в четвертой степени. Иными словами, чем выше температура тела, тем значительно больше оно испускает электромагнитной (тепловой) энергии. Также, чем больше излучаемая поверхность тела, тем больше оно излучает.

Понятие энергосбережения

Видимый свет и инфракрасное излучение похожим образом взаимодействуют с различными материалами. Также как и видимый свет, инфракрасное излучение может отражаться от некоторых видов поверхностей. К примеру, с помощью тепловизоров можно увидеть отражение теплых и холодных объектов на поверхностях чистых металлов, иначе называемых «тепловыми зеркалами». Инфракрасное излучение может и проходить через поверхность (в этом случае говорят о пропускании инфракрасного излучения) или поглощаться поверхностью с последующим повышением ее температуры. Но как мы уже знаем, повышение температуры поверхности приводит к последующему испусканию большего количества лучистой энергии.

Тепловизоры способны улавливать прошедшее, отраженное, поглощенное и испущенное излучение, но необходимо помнить, что только поглощенное и испущенное излучение изменяют температуру поверхности. Помимо этого, интенсивность испущенного излучения существенно зависит от характера (структуры) самой поверхности. К примеру, человеческая кожа и большинство окрашенных неметаллических материалов хорошо испускают излучение и с повышением температуры, в соответствии с законом Стефана-Больцмана, они излучают значительно больше энергии. И наоборот, неокрашенные неметаллические предметы или не сильно окисленные металлы слабо испускают тепловое излучение. Так, даже нагревание чистых металлических поверхностей приводит к незначительному изменению излучаемой энергии, в результате, визуально и даже с помощью тепловизора трудно различить нагретые и холодные участки металлической поверхности.

Способность испускания теплового излучения характеризуется коэффициентом излучения, который может принимать значения от 0.0 до 1.0. Например, коэффициент слабо излучающей блестящей медной поверхности составляет всего 0.1, в то время как хорошо излучающая человеческая кожа имеет коэффициент излучения, равный 0.98.

Значение коэффициента излучения зависит не только от типа материала и состояния поверхности, но и от температуры поверхности, длины волны излучения, а также от угла наблюдения. В настоящее время существуют таблицы с измеренными коэффициентами отражения для большинства материалов, но пользоваться данными таблицами нужно только для справки, так как фактически существующее значение коэффициента излучения при данных условиях измерений может отличаться от табличного значения. По этой причине опытные термографисты должны знать и уметь определять действительное значение коэффициента излучения.

Материал Температура, °С Εт
Алюминий полированный 50…500 0,04…0,06
-“- с шероховатой поверхностью 20…50 0,06…0,07
-“- сильно окисленный 150…500 0,2…0,25
Медь полированная 50…100 0,02
-“- окисленная 50 0,06…0,7
-“- покрытая толстым слоем окиси 25 0,78
Сталь блестящая листовая 25 0,82
-“- с шероховатой плоской поверхностью 50 0,95…0,98
-“- ржавая, красная 20 0,69
-“- оцинкованная 20 0,28
-“- окисленная шероховатая 40…370 0,94…0,97
Чугун шероховатый, сильно окисленный 40…250 0,95
Краски масляные разных цветов 100 0,92…0,96
Лак черный, блестящий, распыленный на железо 25 0,88
-“- алюминиевый, на шероховатой поверхности 20 0,39
Стекло 22…100 0,94…0,91
Фарфор белый, блестящий ………… 0,7…0,75
-“- глазурованный 22 0,92
Бетон 20 0,92

Отверстия, полости и впадины испускают большее количество тепловой энергии, чем окружающие их поверхности. Например, коэффициент излучения полости приближается к значению 0.98, если ее глубина в семь раз превышает диаметр.

Одна из трудностей работы с тепловизором заключается в том, что он регистрирует инфракрасное излучение, невидимое человеческим глазом, и без достаточного опыта работы трудно выбрать точку съемки с минимальным попаданием отраженного излучения в объектив. Все дело в том, что металлические поверхности, плохо испуская излучение, одновременно являются хорошими отражателями инфракрасного излучения.

В результате, тепловое изображение исследуемой поверхности, как правило, является наложением исследуемого испущенного излучения и «паразитного» отраженного излучения. Мастерство термографиста заключается именно в правильной интерпретации полученного результата – умении уверенно различать собственное излучение поверхности от отраженного излучения.

Температура поверхности

На термограмме тепловизора MVR RY отражается только температурное поле поверхности исследуемого объекта (например, стены) и отсутствует информация о температурном состоянии внутренних материалов и конструкций. Задача термографиста и заключается в анализе и интерпретации полученных температурных данных поверхности для определения температурного распределения элементов внутри объекта. Для правильного решения этой задачи термографист должен обладать знаниями о принципах передачи тепла через различные материалы и конструкции, знать тепловые свойства материалов и конструктивные особенности объекта.

Когда температура окружающего воздуха ниже температуры в доме, домашнее тепло проходит сквозь стену на поверхность, которая приходит в тепловое равновесие с окружающей средой. Именно этому моменту соответствует снятая термограмма, требующая теперь правильной интерпретации. Несмотря на часто встречающиеся сложные термограммы, в них все же можно разобраться, исходя из соображений здравого смысла и опираясь на знания и научные методы.

Коэффициент излучения

Как уже говорилось выше, неокрашенные тела и неокисленные металлы плохо испускают и сильно отражают излучение, что сильно усложняет определение их температуры. Чтобы каким-то образом минимизировать данное свойство этих поверхностей во многих моделях тепловизоров предусмотрены функции коррекции коэффициента излучения  и температуры фона.  Во многих случаях перед проведением тепловизионной съемки коэффициент излучения слабоизлучающих поверхностей увеличивают путем их окрашивания или проклеивания изолентой. Данные мероприятия не только повышают точность измерений, но и существенно упрощают интерпретацию полученных результатов.

Погрешность измерения температуры

Инфракрасные измерительные системы представляют особую ценность за счет бесконтактности дистанционного метода и достаточно высокой точности измерений. При измерении температуры поверхностей с высоким коэффициентом излучения в диапазоне средних температур и в пределах разрешающей способности тепловизора, погрешность измерений обычно находится в пределах  ±2°C (3,6°F), что составляет порядка 2% от измеренного значения температуры. Данная погрешность может быть увеличена при следующих неблагоприятных условиях:

  • коэффициенте излучения поверхности менее 0,6;
  • изменении температуры порядка ±30°C (54°F);
  • проведении измерений на слишком мелком объекте или с чрезмерно большого расстояния.

Поле зрения

Основы термографии, инфракрасная термография, тепловизоры RYПоле зрения – угловое пространство, видимое объективом и напрямую определяющее размер теплового изображения. Величина поля зрения определяется техническими характеристиками объектива и никак не зависит от размера матрицы приемника излучения. Размер матрицы влияет только на большую или меньшую детализацию теплового изображения –  чем больше пикселей в матрице, тем более детальней тепловое изображение. При решении многих задач необходимо получить достаточно детальное тепловое изображение большого размера. В таких случаях используют тепловизоры с  широкоугольным объективом и матрицей большого размера.

Мгновенное поле зрения – характеристика, описывающая пространственное разрешение тепловизора. Фактически мгновенное поле зрения соответствует размеру объекта, который можно различить с данного расстояния. Мгновенное поле зрения измеряется в угловых единицах – миллирадианах (мрад).

Вместе с мгновенным полем зрения также используют такую характеристику как мгновенное поле зрения для измерения, которая описывает наименьший размер объекта, который можно измерить с данного расстояния. Обычно мгновенное поле зрения для измерения в три раза превышает мгновенное поле зрения. Это связано с тем, что для проведения полноценного измерения тепловизору необходимо значительно больше информации о тепловом излучении от объекта, чем просто для его регистрации. Важно различать мгновенное поле зрения  и мгновенное поле зрения для измерения и работать в пределах их значений для каждой тепловизионной системы. В противном случае велика вероятность получения неточных данных или огрехи в детализации изображения.

Влияние окружающей среды

Точность и достоверность тепловизионных измерений напрямую зависят от состояния окружающей среды и наличия посторонних источников инфракрасного излучения. По этой причине, прежде всего, в настройках тепловизора выставляют нужные значения коэффициента излучения объекта и компенсацию отраженной температуры в соответствии с измеренным значением температуры окружающей среды.

При наличии посторонних источников инфракрасного излучения возле исследуемого объекта, их необходимо либо удалить, либо накрыть брезентом или картоном. Это в полной мере относится и к лампам накаливания, которые, наряду со светом, испускают инфракрасное излучение. По этой же причине не рекомендуется производить тепловизионную съемку под прямыми солнечными лучами.

Повышенная влажность воздуха, а тем более туман, способны существенно исказить картину теплового излучения от объекта как за счет конденсации влаги и последующего испарения на исследуемом объекте, так и за счет конденсации влаги на защитных фильтрах и объективе тепловизора. В последнем случае часть информации от объекта теряется, так как ИК-излучение частично поглощается водяной пленкой.

Сильный ветер также является существенной помехой для получения качественных результатов, так как существенно смазывает тепловую картину исследуемого объекта. Также тепловизионную съемку не рекомендуется проводить при большой концентрации в воздухе загрязняющих веществ или испарений. Все дело в том, что частицы пара, дыма, сажи, пыли, аэрозолей плохо пропускают инфракрасное излучение от объекта и сами являются источниками инфракрасного излучения.