СПОСОБ ТЕПЛОВОГО НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ МНОГОСЛОЙНЫХ ОБЪЕКТОВ Российский патент 2008 года по МПК G01N25/72 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и найдет применение практически во всех процессах строительства, производства, эксплуатации, ремонта различных технических объектов, где необходимы диагностика, контроль качества, обеспечение работоспособности, безопасности эксплуатации непосредственно объектов и их отдельных узлов, блоков и деталей.

Одним из основных параметров, определяемых в тепловом неразрушающем контроле многослойных объектов, является сопротивление теплопередаче объекта (R_o). Сопротивление теплопередаче многослойного объекта, рассчитанное исходя из проектных данных для объекта, может существенно отличаться от реально существующего на данный момент времени. Это различие может быть связано с возникающими в процессе эксплуатации объекта изменениями теплофизических характеристик материалов слоев многослойного объекта. Одной из основных целей теплового неразрушающего контроля многослойных объектов является определение реально существующего на момент проведения измерений сопротивления теплопередаче исследуемого объекта. Достоверность результата определяется близостью измеренного значения сопротивления теплопередаче и реально существующего на момент проведения измерений. Целью всех существующих на сегодняшний день способов теплового неразрушающего контроля является повышение достоверности результата контроля.

Как правило, в исследуемом многослойном объекте можно выделить слой, наиболее сильно влияющий на процесс теплопередачи в исследуемом объекте. Основной характеристикой, определяющей теплофизические свойства материала слоя, является его коэффициент теплопроводности λ.

Аналогом предложенного способа может быть способ, положенный в основу действующего ГОСТа 26254-84 "Здания и сооружения. Методы определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций" [1].

Любую ограждающую конструкцию здания и сооружения можно рассматривать как многослойный объект. Согласно известному способу проводят тепловизионное обследование многослойного объекта. Обработка результатов обследования сводится в основном к расшифровке термоизображений и получению качественных термограмм. По измеренным температурам воздуха вблизи поверхностей обследуемых участков - (Т_{среды,в}) или (Т_{среды,н}) - расчетным способом или по специальным таблицам определяют коэффициенты теплоотдачи соответственно на внутренней и наружной поверхностях: (α_вi) и (α_нi) и, далее, сопротивления теплообмену i-го участка:

Расчет фактических сопротивлений теплопередаче обследуемых участков (i) поверхности проводится по формуле:

где R_к - термическое сопротивление обследуемого i-го участка;

Т_{среды,в} и Т_{среды,н} - значение температур соответственно внутреннего и наружного воздуха;

Т_{поверх.в} и Т_{поверх.н} - значение температур соответственно внутренней и наружной поверхностей;

q_ф - средняя за расчетный период измерений фактическая плотность теплового потока на i-м участке.

После чего определяют реально существующее сопротивление теплопередаче многослойного объекта на момент проведения измерений по известной зависимости:

где - приведенное сопротивление теплопередаче многослойного объекта на момент проведения измерений;

- площадь объекта;

F_i - площадь обследуемого участка (i);

R_oi - сопротивление теплопередаче обследуемого участка (i);

К - количество измеряемых участков.

Затем полученное приведенное сопротивление теплопередаче сравнивают с пороговым (нормативным) значением приведенного сопротивления теплопередаче исследуемого объекта.

В известном способе методика обработки измерений и определения теплотехнических характеристик имеет несколько существенных недостатков.

Эти недостатки заключаются в следующем:

- при расчете термических сопротивлений (R_кi) отдельных слоев объекта используется средняя за расчетный период измерений фактическая плотность теплового потока, которая отличается на внутренней и наружной поверхностях (в нестационарном режиме теплопередачи отличается всегда) от значения температур на границах слоев, которые возможно определить только с помощью вмонтированных в тело объекта измерителей температуры, что нарушает его целостность и увеличивает погрешность измеряемых параметров;

- при расчете коэффициентов лучистого теплообмена используется средняя температура:

- не учитывается влияние температурного периода (Т_{поверх.н}-Т_{среды,н}) и (Т_{среды,в}-Т_{поверх.в}), не принимается во внимание реальное значение степени черноты поверхности;

- в известном способе значение скорости воздуха вблизи поверхности измеряется термоанемометром. При малых значениях скорости, практически не воспринимаемых термоанемометром, определяющим становится режим естественно-конвективного течения и теплообмена около поверхности, для которого существенными являются и разность температуры, и координата измеряемой точки;

- воздух сред по обе стороны ограждающей конструкции представляет собой бинарную смесь сухого воздуха и водяного пара; соответственно все теплотехнические характеристики сред при использовании их в расчетах конвективного теплообмена должны учитывать влажность воздуха;

- при проведении измерений используют нормативные данные, в которых указаны условия проведения контроля - стабильная температура в течение двух недель до момента проведения контроля. Очевидно, что на практике это выполнить невозможно;

- способ не распространяется на светопрозрачные объекты;

- термическое сопротивление определяют для участков объекта, имеющих равномерную температуру поверхностей;

- определение термического сопротивления основано на создании в объекте условий стационарного теплообмена;

- для контроля выбирают не менее двух одинаковых объектов, с внутренней стороны которых в помещениях поддерживают одинаковые температурно-влажностные условия;

- для измерения термического сопротивления (R_кi) отдельных слоев объекта чувствительные элементы термодатчиков монтируют в толще объекта на границах слоев;

- продолжительность измерений составляет 15 суток;

- определяют влажность материалов многослойного объекта путем отбора проб из объекта шлямбуром или другим инструментом.

Все перечисленные недостатки известного способа не дают точных результатов и, кроме того, способ длительный по времени и трудоемкий по выполнению.

Прототипом предложенного способа может быть "Способ теплового неразрушающего контроля многослойных объектов" (Патент РФ №2219534, кл. G01N 25/72 от 12.09.2002) [2].

Технический результат в известном способе получен путем ухода от осреднения величины плотности теплового потока, температуры поверхности обследуемого участка и использования средних значений суммарного (конвективного и лучистого) коэффициента теплообмена к локальным значениям температуры поверхности (с локальными температурными перепадами и, таким образом, локальными коэффициентами теплообмена). Известный способ создает предпосылки к более корректному определению локальных сопротивлений теплопередаче обследуемых участков и нахождению более рациональных решений по обеспечению требуемого сопротивления теплопередаче рассматриваемого участка многослойного объекта, если оно окажется по какой-либо причине не соответствующим нормативному значению.

Однако известное техническое решение также обладает рядом недостатков. Согласно известному способу наружную поверхность всего обследуемого объекта разбивают на сетку с определенным шагом дискретизации.

На основе определенной методики определяют оптимальный пространственный шаг дискретизации. Каждый квадрат сетки является обследуемым участком, относительно которого проводятся все измерения, расчеты и сравнение полученных данных. Сравнение по всей температурной истории может привести к неполучению искомого результата с приемлемой на практике точностью, так как возможно суммирование ошибок измерений в большую сторону. Кроме того, может быть вариант, когда все выделенные участки неоднородны, тогда произведенные измерения будут неточны. Нанесение сетки на многослойный объект известным способом делает процесс долгим.

Все перечисленные недостатки известного способа могут дать неточный результат и, кроме того, способ трудоемкий и длительный по времени.

Предложенное техническое решение направлено на оперативное и достоверное определение теплотехнических характеристик многослойных объектов.

Технический результат получен путем:

- выбора участков по однородному температурному полю внутренней поверхности, в которых измеряют температурные серии;

- выбора периода времени температурной истории, где задача решается с заданной точностью;

- сокращения количества измерений и расчетов для вычисления приведенного сопротивления теплопередаче;

- использования в результате экспериментальных данных формулы для построения зависимости термического сопротивления теплопередаче участка от температуры его наружной поверхности, определенной по термограмме R(T)=f(T_поверх).

Признаки прототипа, являющиеся общими с заявленным способом, заключаются в том, что на многослойном объекте выделяют обследуемые участки. Определяют временной интервал, необходимый и достаточный для получения достоверного результата, и в течение всего временного интервала измеряют температуру наружной и внутренней поверхностей обследуемых участков, температуры сред вблизи них. Задают значение теплопроводности (λ) интересующего слоя обследуемого участка. Рассчитывают для каждого заданного значения теплопроводности теоретически возможную температуру наружной и внутренней поверхностей участков. Сравнивают теоретически возможные значения температуры с измеренными и выбирают для дальнейших расчетов то значение теплопроводности из числа заданных, которое смогло обеспечить условие сравнения. После чего последовательно определяют термическое сопротивление участка, сопротивление теплопередаче участка и приведенное сопротивление теплопередаче многослойного объекта.

Новым в предложенном техническом решении является то, что выделение обследованных участков осуществляют путем регистрации температурного поля внутренней поверхности контролируемого объекта и нахождения на внутренней поверхности объекта не менее двух однородных зон. После произведенных на выделенных участках измерений и расчетов, для сравнения теоретически возможных значений температуры с измеренными, строят в одной системе координат зависимости температур, теоретически возможных и измеренных от времени. Задают погрешность (δ) между теоретически возможной зависимостью и измеренной, причем δ≤±8,5%. Определяют те временные участки, где разница (δ) между зависимостями лежит в заданном пределе, выбирают значения теплопроводности (λ), соответствующие выбранному временному участку, и на выбранных временных участках вычисляют коэффициент теплоотдачи (α), где α=f(λ). После чего выбирают те значения теплопроводности (λ), при которых коэффициент теплоотдачи (α) лежит в пределах, реально встречающихся на практике α=α±Δα. Затем выбранные значения теплопроводности (λ) усредняют для определения термического сопротивления обследуемых участков. В дальнейшем для измерения термического сопротивления на термограмме наружной поверхности объекта визуально идентифицируют участки, соответствующие участкам, выбранным на внутренней поверхности объекта, и выделяют все участки с аномалиями температурного поля. Вначале для дальнейших расчетов используют участки с аномалиями температурного поля вблизи верхнего и нижнего температурных пределов. Затем строят зависимость термических сопротивлений участков с аномалиями температурного поля вблизи верхнего и нижнего температурных пределов от температур их наружной поверхности, определяемой по термограмме объекта, используя закон:

где R(T) - зависимость термического сопротивления участка от температуры наружной поверхности объекта, определяемой по термограмме объекта;

Т - текущие значения температур наружной поверхности участков с аномалиями температурного поля вблизи верхнего и нижнего температурных пределов, определяемые по термограмме;

T₁ - температура внутренней поверхности обследуемого участка;

Т₂ - температура наружной поверхности идентифицированного участка;

Т₃ - температура воздуха вблизи идентифицированного участка.

По построенной зависимости определяют термическое сопротивление всех участков с аномалиями температурного поля, а используя коэффициент масштабирования, определяют площади этих участков для дальнейшего определения соответственно сопротивления теплопередаче участков и приведенного сопротивления теплопередаче многослойного объекта.

Предложенный способ осуществляют следующим образом.

На внутренней поверхности контролируемого объекта тепловизором регистрируют температурное поле и формируют суммарную термограмму. На полученной термограмме выделяют не менее двух термически однородных зон, это и будут обследуемые участки. Причем экспериментально было установлено, что для осуществления способа необходимо выбрать те зоны, размер которых составляет не менее двух толщин слоев обследуемого участка. На выделенных участках устанавливают датчики, измеряющие температуру, затем известным способом определяют временной интервал, необходимый и достаточный для получения достоверного результата.

В течение всего определенного временного интервала измеряют температуру внутренней и наружной поверхностей обследуемых участков и температуру сред вблизи них. После проведенных замеров задают значение теплопроводности (λ) интересующего слоя обследуемого участка. И для каждого заданного значения теплопроводности (λ) рассчитывают теоретически возможную температуру наружной и внутренней поверхностей обследуемых участков.

После произведенных на выделенных участках измерений и расчетов температуры проводят сравнение данных. Для этого в одной системе координат строят зависимости температур, теоретически возможных при каждом задаваемом значении теплопроводности (λ) и измеренных от времени.

Экспериментально было установлено, что для получения достоверных результатов теплового неразрушающего контроля погрешность (δ) между теоретически возможной температурой и измеренной должна быть менее 8,5%, то есть δ≤8,5%. По построенной зависимости выбирают те временные участки, где это условие выполняется. Каждому временному интервалу соответствует задаваемый коэффициент теплопроводности материала (λ). Затем строят зависимость отклонений теоретически возможной температуры и измеренной от теплопроводности (λ). Это будет функционал правдоподобия (см. приложение 1 листы 4-8 и приложение 2 листы 4-5).

Для каждого значения теплопроводности рассчитывают коэффициент теплоотдачи α, поскольку коэффициент теплоотдачи (α) зависит от теплопроводности α=f(λ). Для дальнейших расчетов выбирают то значение теплопроводности (λ), при котором коэффициент теплоотдачи (α) лежит в пределах α=α±Δα, то есть реально встречающихся на практике (см. приложение 1 листы 4-8 и приложение 2 листы 4-5).

Поскольку выбранных значений теплопроводности (λ) будет не одно, то для дальнейших расчетов эти значения усредняют для определения термического сопротивления обследуемого участка. Термическое сопротивление обследуемых участков определяем по формуле:

где R - сопротивление выделенного участка;

L - толщина выделенного участка;

λ - выбранное значение теплопроводности на участке.

Для дальнейших расчетов и определения приведенного сопротивления теплопередаче многослойного объекта на термограмме наружной поверхности объекта (см. приложение 3) визуально идентифицируют участки, соответствующие участкам, выбранным на внутренней поверхности объекта, и рассчитывают для них термическое сопротивление.

Затем на термограмме наружной поверхности выделяют все участки с аномалиями температурного поля. Для дальнейших расчетов из всех участков с аномалиями температурного поля выделяют те участки, у которых температурное поле находится вблизи верхнего и нижнего температурного придела. В результате экспериментальных данных заявителем был разработан закон зависимости термического сопротивления участка от температуры (Т) наружной поверхности участка, определяемой по термограмме объекта. Согласно этому закону:

где R(T) - зависимость термического сопротивления участка от температуры его наружной поверхности, определяемой по термограмме объекта;

R_у - термическое сопротивление обследуемого участка;

Т - текущие значения температур наружных поверхностей участков с аномалиями температурного поля вблизи верхнего и нижнего температурных пределов, полученных по термограмме объекта;

T₁ - температура внутренней поверхности обследуемого участка;

Т₂ - температура наружной поверхности идентифицированного участка;

Т₃ - температура воздуха вблизи идентифицированного участка.

На основании ранее произведенных измерений и расчетов строят зависимость термического сопротивления обследуемых участков от температуры их наружной поверхности (см. приложение 1 лист 2 и приложение 2 лист 2).

По построенной зависимости определяют термическое сопротивление всех выделенных участков с аномалиями температурного поля. После чего, используя коэффициент масштабирования, определяют площади этих участков. Зная площади участков и термическое сопротивление, по известным зависимостям определяют сопротивление теплопередаче участков с аномалиями температурного поля и приведенное сопротивление теплопередаче многослойного объекта.

Пример реализации предложенного способа

Были проведены прикладные научные исследования при энергетическом обследовании тепловизионным методом наружных ограждающих конструкций объекта по адресу: Москва, Измайловский вал, 30, стр.5.

Тепловизионное обследование проводилось в соответствии с положениями "Энергетической стратегии России на период до 2020 года", утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации от 28.08.2003 г. №1234-р, а также во исполнение Федерального закона от 27 декабря 2002 г. №184-ФЗ "Об энергосбережении" и Постановления Правительства Москвы от 9 октября 2001 г. №912-ПП, п.6.2.

При проведении обследования использовались средства измерения:

- тепловизионная камера Termovision 550 производства компании AGEMA; диапазон измерений -20÷+1200°С, температурная чувствительность 0,1°С, абсолютная погрешность измерения ±0,2°С;

- термометр ртутный стеклянный лабораторный ТЛ-4; диапазон -30÷+20°С и 0÷55°С;

- термометр контактный и измеритель влажности цифровой ТК-5,05; диапазон -20÷+200°С, 0÷100%, погрешность ±1°С, ±3%;

- измеритель-регистратор самопишущий ИС-201; диапазон -30÷+150°С, погрешность ±0,5°С.

Обследовали 5-этажное здание офисно-делового центра.

Заказчиком представлена документация:

- Фирма "РИК-С". Лист 16. Сечение по стене типового этажа;

- Сертификаты соответствия на блоки оконные дверные. Витрины и витражи из ПВХ профилей.

Состав наружных ограждающих конструкций (стен):

Кирпич 120 мм;

Утеплитель ПСБС 200 мм;

Кирпич 120 мм;

Штукатурка.

Погодные условия и температурный напор (разность температур между внутренним и наружным воздухом) удовлетворяли требованиям проведения тепловизионного обследования согласно изобретению.

Контактные измерения проводились на двух участках (реперных зонах).

Тепловизионное обследование проводилось в натурных условиях 1 февраля 2005 г. Температура среды составляла -9,4°С, внутренняя температура на участках (реперных зонах) +18,2°С.

Обследуемые участки для настройки тепловизора и программного обеспечения располагались на первом этаже здания. В обследуемых участках проведены контактные измерения температур наружных ограждающих конструкций электронными самописцами: наружной и внутренней температуры воздуха и температур на внутренней и наружной поверхностях стен и окон. Результаты измерений использовались как входные данные для программного обеспечения.

Результаты замеров температур приведены в таблице.

№ обследуемых участковТип наружной стеныСр. температура на наружной поверхности, °ССр. температура на внутренней поверхности, °С1См. п.2-5,9+16,52См. п.2-3,8+21,6

Показания электронных самописцев температуры, установленных на обследуемых участках (реперных зонах) за 4 суток до проведения обследования, приведены в приложении 1 лист 1 и приложение 2 лист 1.

Обработка результатов обследования проводилась с использованием программного обеспечения, адаптированного к натурным условиям. Сопротивление теплопередаче рассчитывалось в обследуемых участках на основании проведенных измерений путем решения обратной задачи нестационарной теплопроводности многослойной трехмерной области с подобластями, имитирующими дефекты.

При решении обратной задачи использована математическая модель теплового неразрушающего контроля. Адекватность модели, использованной в предложенном "Способе...", реальному процессу, характеристикам объекта и метеоусловиям исследовалась и подтверждалась при проведении обработки результатов обследования.

Граничными условиями при использовании указанной модели являлись цифровые ряды температур на наружной и внутренней поверхностях ограждающих конструкций и температур воздуха вблизи них, регистрируемые электронными самописцами в течение 4 суток, предшествующих тепловизионному обследованию. Дискретность измерения температуры во времени определялась априори законом распределения этой величины.

Приведенное сопротивление теплопередаче определялось для ограждающих конструкций всего здания с учетом особенностей процесса теплопередачи и площадей термически однородных зон. Дискретность измерений температурного поля по поверхности оптимизировалась исходя из законов ее бимодального распределения по площади ограждающих конструкций.

Качественный анализ термограмм наружных ограждающих конструкций здания по адресу: Москва, Измайловский вал 30, стр.5 показал, что температурное поле на поверхностях фасадов здания равномерное, дополнительных источников теплопотерь не выявлено. Повышенные теплопотери наблюдаются через межэтажные перекрытия.

Термограммы с привязкой к фотографиям приведены в приложении 3.

Согласно СНиП 23-02-2003 изд. 2004 г., табл.4 нормируемое значение сопротивления теплопередаче для общественных зданий должно соответствовать значению, 2,7 м²°С/Вт для стен и 0,45 м²°С/Вт для окон.

Полученное в результате инструментального тепловизионного обследования значение приведенного сопротивления теплопередаче наружных ограждающих конструкций здания по адресу: Измайловский вал, 30, стр.5 составляет 4,0 м²°С/Вт (±15%) для стен и 0,5 м²°С/Вт (±15%) для окон.

С учетом изобретения обследуемое здание соответствует нормируемому значению сопротивления теплопередаче по стенам и окнам.

Полученное в результате инструментального тепловизионного обследования значение теплопотерь за отопительный период через 1 м² наружных ограждающих конструкций (стен) здания по адресу: Измайловский вал, 30, стр.5 составляет 32,6 кВт·ч (±15%).

Использование предложенного "Способа теплового неразрушающего контроля многослойных объектов" позволяет уменьшить время проведения контроля, сделать способ менее трудоемкий по выполнению и, самое главное, повысить достоверность результата контроля.

Изобретение относится к технике контроля и технической диагностики. Выделяют не менее двух термически однородных зон на термограмме внутренней поверхности объекта. На выделенных участках измеряют и рассчитывают температуры их наружной и внутренней поверхностей при задаваемых значениях теплопроводности (λ). Сравнивают эти температуры в одной системе координат. Задают погрешность между сравниваемыми температурами δ≤±8,5%. Определяют временные интервалы и на выбранных временных интервалах вычисляют коэффициент теплоотдачи (α). Выбирают значения теплопроводности (λ), при которых α=α+Δα. Определяют термическое сопротивление всех участков с аномалиями температурного поля и соответственно сопротивление термопередаче этих участков и приведенное сопротивление теплопередаче многослойного объекта. Технический результат - достоверное определение теплотехнических характеристик. 3 приложения.

Способ теплового неразрушающего контроля многослойных объектов, при котором на многослойном объекте выделяют обследуемые участки, определяют временной интервал, необходимый и достаточный для получения достоверного результата, в течение всего временного интервала измеряют температуру наружной и внутренней поверхностей обследуемых участков и температуры сред вблизи них, задают значение теплопроводности (λ) интересующего слоя обследуемого участка, рассчитывают для каждого заданного значения теплопроводности теоретически возможную температуру наружной и внутренней поверхностей участков, затем сравнивают теоретически возможные значения температуры с измеренными и выбирают для дальнейших расчетов то значение теплопроводности из числа заданных, которое смогло обеспечить условие сравнения, после чего последовательно определяют термическое сопротивление участка, сопротивление теплопередаче участка и приведенное сопротивление теплопередаче объекта, отличающийся тем, что выделение обследуемых участков осуществляют путем регистрации температурного поля внутренней поверхности контролируемого объекта, нахождения на внутренней поверхности объекта не менее двух термически однородных зон, после произведенных на выделенных участках измерений и расчетов температуры, для сравнения теоретически возможных значений температуры с измеренными, строят в одной системе координат зависимости температур теоретически возможных и измеренных от времени, задают погрешность (δ) между теоретически возможной зависимостью и измеренной, причем δ≤±8,5%, определяют те временные участки, где разница (δ) между зависимостями лежит в заданном пределе, выбирают значения теплопроводности (λ), соответствующие выбранному временному участку, и на выбранных временных участках вычисляют коэффициент теплоотдачи (α), где α=f(λ), после чего выбирают те значения теплопроводности (λ), при которых коэффициент теплоотдачи (α) лежит в пределах реально встречающихся на практике α=α±Δα, затем выбранные значения теплопроводности (λ) усредняют для определения термического сопротивления обследуемых участков, после чего на термограмме наружной поверхности объекта визуально идентифицируют участки, соответствующие участкам, выбранным на внутренней поверхности объекта, и выделяют участки с аномалиями температурного поля вблизи верхнего и нижнего температурных пределов, затем строят зависимость термических сопротивлений участков от температур их наружной поверхности по закону

где R(T) - зависимость термического сопротивления участка от температуры его наружной поверхности;

Т - текущие значения температур наружной поверхности участков с аномалиями температурного поля вблизи верхнего и нижнего температурных пределов, определяемые по термограмме;

T₁ - температура внутренней поверхности обследуемого участка;

Т₂ - температура наружной поверхности идентифицированного участка;

Т₃ - температура воздуха вблизи идентифицированного участка;

по построенной зависимости определяют термическое сопротивление всех участков с аномалиями температурного поля и, используя коэффициент масштабирования, определяют площади этих участков, для дальнейшего определения соответственно сопротивления теплопередаче участков и приведенного сопротивления теплопередаче многослойного объекта.