СПОСОБ ТЕПЛОВОГО НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ТЕПЛОПЕРЕДАЧЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ Российский патент 2008 года по МПК G01N25/72 

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к тепловому неразрушающему контролю объектов, и может быть использовано для технической диагностики неоднородных конструкций, например зданий и сооружений по сопротивлению теплопроводности.

Из уровня техники известны способы теплового неразрушающего контроля неоднородных многослойных объектов, какими, в частности, являются здания и сооружения, см., например, патент РФ №2219534. Для осуществления известного способа определяют временной интервал, необходимый для получения достоверного результата. В течение этого времени периодически измеряют температуру и плотность теплового потока на наружной и внутренней поверхностях объекта. Задают значение теплопроводности нужного слоя. Используя модель, определяют возможную температуру и плотность для каждого заданного значения теплопроводности. Проводят тепловизионное обследование, измеряют температуры внутренних и наружных поверхностей. Сравнивают теоретические и полученные измерением результаты. Выбирают для дальнейших расчетов значение теплопроводности из числа заданных, которое может обеспечить условия сравнения. Способ позволяет определить локальные сопротивления теплопередаче обследуемых участков и найти более рациональное решение по обеспечению требуемого сопротивления, если оно окажется не соответствующим нормативному.

В патенте Японии №9113473 раскрыт способ теплового неразрушающего контроля материалов и определения местоположения дефектов, которые приводят к теплопотере. Согласно этому способу облучают участок исследуемой поверхности, измеряют теплопроводность материала, информацию о распределении температурного поля объекта передают для анализа на устройство термографического контроля и затем на устройство отображения, которое показывает изменения в распределении температурного поля.

Известен способ неразрушающего теплового контроля по патенту США №5292195, согласно которому выбранное количество энергии подается на первый объект, имеющий известную поверхностную структуру. Изображение его запоминается. Затем выбранное количество энергии подается на второй объект и изображение второго объекта также запоминается. Затем производится сравнение изображений для определения различий в поверхностной структуре этих двух объектов.

Известен неразрушающий способ контроля неметаллических материалов по патенту Японии №3154857 путем приложения импульсной температурной нагрузки. Временные изменения нестабильного температурного поля, соответствующие дефекту или повреждению, измеряют и анализируют с использованием инфракрасной камеры и вычислительной системы. Способ обеспечивает высокую точность.

В опубликованной заявке США №2002126730 раскрыты система и способ определения поперечной температурной диффузии с использованием температурных импульсов. Разработана математическая модель и программное обеспечение, которые позволяют определить поперечную термодиффузию конечного объекта. Изобретение используется для установления и определения местоположения дефектов, ведущих к теплопотерям.

Все известные способы позволяют определить состояние конструкций и их теплопотери, однако они не применимы для исследования нестационарных процессов, имеющих место в реальных условиях эксплуатации зданий и сооружений.

В Российской Федерации на практике используется способ определения качества объектов по анализу их сопротивления теплопередаче, см. ГОСТ 31166-2003 "Конструкции ограждающие зданий и сооружений. Метод калориметрического определения коэффициента теплопередачи." Москва, введен в действие 01 июля 2003 года в качестве государственного стандарта Российской Федерации постановлением Госстроя России от 02 июля 2003 года №48. Этот способ является ближайшим к заявленному. Согласно стандартной методике на одной стороне конструкции устанавливают теплоизолированный плоский нагревательный элемент, реализующий нагрев контролируемой конструкции. Через заданный интервал времени производят измерение теплового потока, проходящего через строительную конструкцию, и температуру на обоих поверхностях строительной конструкции по формуле

где Ro - сопротивление теплопередаче строительной конструкции,

Тв, Тн - температура на обеих поверхностях строительной конструкции,

q - тепловой поток через строительную конструкцию.

Недостаток известного способа состоит в том, что формула (1) применима только для условий стационарного процесса теплопередачи через исследуемый объект. Как показывают исследования, процесс теплопередачи через строительную конструкцию переходит в стационарный ориентировочно через 7-14 суток при выполнении следующего условия: температура на обеих поверхностях (наружной и внутренней) строительной конструкции не должна изменяться. Разработчики известной методики предполагали (см. п.п.8.1, 8.2 указанного источника), что при проведении измерений необходимо выбрать время суток со стабильным уровнем температуры наружного воздуха в ночное время. При этом теплоизолированную камеру необходимо устанавливать на внутренней поверхности ограждающей конструкции. Однако за одни сутки даже при этих условиях в типовых конструкциях стационарный процесс теплопередачи не установится. При этом следует учитывать, что практически невозможно выбрать такие сутки, чтобы температура в течение ночи не менялась. Поэтому при всех правильных" теоретических предпосылках известного способа на практике он не обеспечивает достоверную информацию. В течение суток температура наружного воздуха, как правило, изменяется более чем на 10 градусов.

Для обеспечения достоверного определения термического сопротивления строительной конструкции необходимо обеспечить стабильные температуры на наружной и внутренней поверхностях в течение 7-14 суток. Выдержка в течение такого длительного времени и таким образом значительные сроки проведения работ по оценке состояния строительных конструкций влияют на стоимость работ и отдаляют получение достоверных результатов. Важность получения информации о состоянии сооружений в настоящее время не вызывает сомнений.

Таким образом существует потребность в разработке способа теплового неразрушающего контроля сопротивления теплопередаче строительных конструкций, который бы устранял недостатки аналогов, известных на настоящий момент из уровня техники.

Технический результат, который достигается при использовании заявленного способа, состоит в повышении достоверности результатов контроля при одновременном сокращении сроков на проведение испытаний.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе теплового неразрушающего контроля сопротивления теплопередаче строительных конструкций, включающем установку на одной стороне конструкции первого теплоизолированного плоского нагревательного элемента, реализующего нагрев контролируемой конструкции, осуществляемое через заданный интервал времени измерение теплового потока, проходящего через строительную конструкцию, а также температур на обеих поверхностях строительной конструкции, определение сопротивления теплопередаче строительной конструкции по формуле

Ro=(Тв-Тн)/q,

где Ro - сопротивление теплопередаче строительной конструкции,

Тв, Тн - температура на внутренней и наружной поверхностях строительной конструкции соответственно,

q - тепловой поток через строительную конструкцию,

после установки первого теплоизолированного плоского нагревательного элемента на противоположной стороне строительной конструкции напротив первого нагревательного элемента дополнительно устанавливают второй теплоизолированный плоский нагревательный элемент, реализующий нагрев контролируемой конструкции с температурой, отличной от температуры первого плоского нагревательного элемента, термостабилизируют оба нагревательных элемента, при этом линейные размеры нагревательных элементов выбирают в диапазоне от 3 до 5 размеров толщины строительной конструкции, измеренной в средней части нагревательных элементов.

Сущность изобретения и возможность достижения при его использовании указанного технического результата будет более понятна из последующего описания со ссылками на позиции чертежей, где на фиг.1 приведена принципиальная схема установки, с помощью которой реализуется заявленный способ, на фиг.2 приведен общий вид строительной конструкции, для которой проводился эксперимент, на фиг.3 - приведена теплограмма этой строительной конструкции, на фиг.4 - зависимости значений температуры поверхности стены вне плоских нагревательных элементов, на фиг.5 - общий вид реального устройства, реализующего заявленный способ в процессе проведения экспериментов, на фиг.6 - экспериментальная зависимость установления теплового потока через трехслойную конструкцию при фиксированных температурах на ее поверхности, на фиг.7 - экспериментальная зависимость установления температуры поверхностей строительной конструкции от времени при условии фиксированных температур плоских нагревательных элементов.

Предлагаемый способ теплового неразрушающего контроля заключается в следующем.

На строительную конструкцию 1 (например, стену здания) устанавливают два - первый 2 и второй 3 плоские теплоизолированные нагревательные элементы. Их монтируют на противоположных сторонах здания - наружной и внутренней стенах. При этом линейные размеры нагревательных элементов 2, 3 составляют от 3 до 5 величин толщины конструкции 1, измеренной в средней части установленных нагревательных элементов, например, по их оси. Причем первый нагревательный элемент 2 реализует нагрев конструкции до температуры, отличной от той, до которой нагревает соответствующую сторону конструкции 1 нагревательный элемент 3. С помощью исполнительных нагревательных узлов 7, 8 внутри элементов 2, 3 устанавливаются соответствующие температуры, например Тв и Тн, которые измеряются датчиками температуры 4 и 5, которые также установлены по разные стороны конструкции 1. Данные температуры стабилизируют посредством систем термостабилизации 9, 10 исполнительных нагревательных элементов в течение определенного времени Δτ от 1 суток.

Указанный интервал времени определяется перед проведением измерений и характеризуется уровнем нестационарности теплопроводности через строительную конструкцию и зависит от материалов и геометрических размеров конструкции 1.

Системы термостабилизации 9, 10 исполнительных нагревательных элементов 7, 8 обеспечивают постоянную температуру внутри плоских нагревательных элементов и температуру нагрева строительной конструкции вне зависимости от температуры наружного и воздуха внутри помещения.

По истечении времени Δτ температуры поверхностей стены устанавливаются равными температурам теплоизолированных нагревательных элементов 2, 3. В этот момент времени датчиком теплового потока 6 измеряют тепловой поток q через строительную конструкцию. Далее осуществляют определение сопротивления теплопередаче строительной конструкции по формуле

Ro=(Тв-Тн)/q.

Для повышения достоверности результатов контроля путем минимизации величины теплового потока вдоль конструкции размеры теплоизолированных нагревательных элементов выбирают по результатам проведенных экспериментальных исследований в диапазоне от 3 до 5 величин толщины строительной конструкции, измеренной в средней части установленных нагревательных элементов, например по их оси.

Экспериментальные исследования эффективности и возможностей заявленного способа теплового неразрушающего контроля сопротивления теплопередаче строительных конструкций были проведены применительно к реальной трехслойной строительной конструкции жилого дома в условиях его эксплуатации (фиг.2). Термограмма жилого дома приведена на фиг.3.

Теплотехнические и геометрические характеристики слоев строительной конструкции приведены в таблице 1

Таблица 1№ п/пНаименование слояТеплопроводность (λ) Вт/(м°С)Плотность (ρ) кг/м³Теплоемкость (с) Дж/(кг °С)Толщина (δ) ммСопротивление теплопередаче1штукатурка0,93180084020R1=0,0212пемзобетон0,14800840290R2=2,073штукатурка0,93180084020R3=0,021 Ro=R1+R2+R3     

Сопротивление теплопередаче слоев (таблица 1) рассчитывалось по известной формуле:

Ri=δ/λ.

Результаты экспериментальных исследований в виде значений сопротивления теплопередаче строительной конструкции приведены в таблице 2. При этом сопротивление теплопередаче экспериментально определялось для трех случаев:

- в начальный момент времени эксперимента (фактически до проведения эксперимента),

- по методике проведения измерений, изложенной в способе, принятом в качестве ближайшего аналога,

- по методике проведения измерений по заявленному способу. Результаты экспериментов сведены в таблицу 2.

Таблица 2Измеряемые ВеличиныЕдиницы измеренияУсловия проведения экспериментаБез нагревательных элементовС одним нагревательным Элементом (способ-аналог)С двумя нагревательными Элементами (заявленный способ)Тв±ΔТвГрад.С14*2424Тн±ΔТнГрад.С1*95q±ΔqВт/м²1,974,49,05Rизм±ΔRизм(град.х м²/Вт6,6±0,463,4±0,342,05±0,2Ro±Δro(град.х м²/Вт2,1±0,22,1±0,22,1±0,2δ±Δδ%214±22246272±0,3

В таблице 2 знаком * указана температура поверхностей строительной конструкции в начальный момент эксперимента. В таблице 2 дополнительно использованы следующие обозначения:

Rизм - значение сопротивление теплопередаче, определяемое по заявляемому способу и способу, принятому в качестве ближайшего аналога.

ΔRизм - погрешность значения сопротивления теплопередаче, определяемого по заявленному способу и способу-аналогу,

Ro - значение сопротивления теплопередаче, рассчитанное в соответствии со строительным проектом (можно принять это значение за истинное),

ΔRo - погрешность значения сопротивления теплопередаче, рассчитанного в соответствии со строительным проектом,

δ - ошибка определения сопротивления теплопередаче по отношению к истинному значению,

Δδ - погрешность ошибки определения сопротивления теплопередаче по отношению к истинному значению.

Из таблицы 2 следует, что предлагаемый способ обеспечивает снижение погрешности определения сопротивления теплопередаче строительной конструкции более чем в 15 раз.

К преимуществам заявленного способа по сравнению с известными из уровня техники относятся:

экономичность,

достоверность результатов,

сокращение сроков на проведение работ,

простота.

Изобретение относится к области измерительной техники. Способ включает установку на одной стороне конструкции первого теплоизолированного плоского нагревательного элемента, реализующего нагрев контролируемой конструкции, осуществляемое через заданный интервал времени измерение теплового потока, проходящего через строительную конструкцию, а также температур на обеих поверхностях строительной конструкции и определение сопротивления теплопередаче строительной конструкции. Напротив первого нагревательного элемента дополнительно устанавливают второй теплоизолированный плоский нагревательный элемент, при этом линейные размеры нагревательных элементов выбирают в диапазоне от 3 до 5 размеров толщины строительной конструкции, измеренной в средней части установки нагревательных элементов. Технический результат заключается в повышении достоверности результатов контроля при одновременном сокращении сроков на проведение испытаний. 7 ил., 2 табл.

Способ теплового неразрушающего контроля сопротивления теплопередаче строительных конструкций, включающий установку на одной стороне конструкции первого теплоизолированного плоского нагревательного элемента, реализующего нагрев контролируемой конструкции, осуществляемое через заданный интервал времени измерение теплового потока, проходящего через строительную конструкцию, а также температур на обеих поверхностях строительной конструкции, определение сопротивления теплопередаче строительной конструкции по формуле

Ro=(Тв-Th)/q,

где Ro - сопротивление теплопередаче строительной конструкции,

Тв, Тн - температура на внутренней и наружной поверхностях строительной конструкции соответственно,

q - тепловой поток через строительную конструкцию,

отличающийся тем, что после установки первого теплоизолированного плоского нагревательного элемента на противоположной стороне строительной конструкции напротив первого нагревательного элемента дополнительно устанавливают второй теплоизолированный плоский нагревательный элемент, реализующий нагрев контролируемой конструкции с температурой, отличной от температуры первого плоского нагревательного элемента, термостабилизируют оба нагревательных элемента, при этом линейные размеры нагревательных элементов выбирают в диапазоне от 3 до 5 размеров толщины строительной конструкции, измеренной в средней части нагревательных элементов.