СПОСОБ ОБСЛЕДОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ОБЪЕКТА ИНФРАКРАСНЫМ ПРИБОРОМ Российский патент 2018 года по МПК G01J5/50 G01J5/06 G01K15/00 

Изобретение относится к методам измерений, в частности к инфракрасной (ИК) термографии и радиометрическим способам измерения температуры. Наиболее эффективно оно может быть использовано при визуализации и определении температурных полей на поверхности объектов с помощью тепловизионной техники и при пирометрических измерениях температуры. Область применения изобретения относится к различным отраслям промышленности и производства, к строительным технологиям для диагностики ограждающих конструкций, к энергетике в качестве средства обследования и теплового мониторинга объектов и др.

Инфракрасный радиометрический метод, как метод измерения температуры и тепловизионного обследования объектов, обладает значительными преимуществами перед другими методами, поскольку он является бесконтактным и максимально удобным в большинстве практических приложениях. При тепловизионном обследовании в кадре термограммы отображается температурное поле, соответствующее, как отдельным элементам, так и, при необходимости, сравнительно большому участку обследуемой поверхности. Однако этот метод в ряде случаев может оказаться не достаточно точным и его использование может привести к получению только качественных (сравнительных), но не количественных результатов. Особенно важным это является при измерениях температуры.

Принцип определения температуры ИК-методом основан на том, что на приемник ИК- прибора (чувствительный элемент тепловизора или пирометра) поступает инфракрасное излучение от обследуемой поверхности. Это излучение складывается из собственного излучения объекта, излучения воздуха на дистанции между прибором и объектом и отраженного его поверхностью излучения от других окружающих объектов, в том числе, от земли, неба и др., а, в отдельных случаях, и от оператора, проводящего измерения. Как обследуемый объект, так и окружающие его объекты, имеют собственную температуру, которая является энергетической характеристикой поступающего от них ИК-излучения. Приемник ИК-прибора регистрирует поступившее на него излучение в виде электрических сигналов, которые преобразуются в непосредственно измеряемую величину - радиационную температуру совокупного ИК-излучения от поверхности обследуемого объекта. Точность измерения радиационной температуры зависит от точности калибровки ИК-прибора, а также от коэффициента пропускания (прозрачности) воздуха, находящегося на дистанции измерения.

По измеренной величине радиационной температуры проводится определение искомой собственной температуры (или температурного поля) на поверхности обследуемого объекта. Эта температура вычисляется, основываясь на решении уравнения энергетического баланса на приемнике излучения, которое может быть записано в следующем виде:

здесь Т_х - определяемая температура объекта в шкале градусов Кельвина (К), а T₀ и Т_в - соответственно температура отраженного излучения и температура воздуха, которые должны быть определены отдельно и заданы в виде параметров. Величина Т_р является измеренной прибором радиационной температурой. Входящие в уравнение (1) коэффициенты Δϕ(T) являются нормировочными энергетическими функциями (0<Δϕ<1), зависят от диапазона длин волн, в котором работает ИК-прибор, и являются нелинейными в зависимости от температуры. Значительная нелинейность коэффициентов Δϕ(T) и произведения Δϕ(T)Т⁴, входящего в уравнение (1), определяется видом функции Планка для спектральной плотности излучения абсолютно черного тела. При решении уравнения энергетического баланса (1) в качестве параметров также должны быть заранее определены и заданы ε - коэффициент излучения обследуемого объекта и τ - коэффициент пропускания воздуха.

Решение уравнения (1) и определение температуры Т_х может быть выполнено после проведения обследования при математической обработке результатов измерения радиационной температуры Т_p. Однако такой способ мало распространен на практике, поскольку он является достаточно громоздким и не применим при проведении оперативных детальных измерений. На практике при использовании современных ИК-приборов решение уравнения (1) проводится в процессоре, встроенном в сам измерительный прибор. При измерениях в ИК-приборе требуется задание вышеперечисленных параметров - T₀, T_в, ε и τ. При этом, температура воздуха Т_в может быть достаточно точно и просто определена любым доступным способом, например, с помощью температурного датчика с термопарой или любого другого термометра. Если воздух не содержит взвешенных частиц (пыль, туман), то коэффициент τ также достаточно точно может быть вычислен, зная дистанцию измерения, температуру и влажность воздуха. Для этого в ряде приборов предусмотрено ручное задание этих параметров. Однако требуемое точное задание таких параметров, как коэффициент излучения ε и температура отраженного излучения Т₀ часто сталкивается со значительными трудностями.

Самым простым способом задания коэффициента излучения является использование его табличных значений, которые широко распространены в соответствующих изданиях и в документации к некоторым ИК-приборам. Однако в большинстве случаев такие табличные значения носят скорее ознакомительный, нежели, справочный характер. Дело в том, что величина коэффициента излучения определяется многими факторами: материалом объекта, его температурой и диапазоном длин волн в котором проводится обследование. Большинство табличных данных такую детализацию содержит далеко не в полном объеме. Кроме того, на величину коэффициента излучения существенное влияние оказывает состояние поверхности объекта, например, степень ее шероховатости, загрязненность и т.д. В большинстве случаев коэффициент излучения s с использованием табличных данных может быть задан относительно действительного с погрешностью до 10% и более. В особенности это относится к материалам со сравнительно небольшим коэффициентом излучения, к которым относятся большинство электропроводящих материалов. Для мало излучающих материалов табличные значения коэффициента ε могут отличаться от действительных на величину 50% и более. В результате ошибки вычисления температуры объекта, возникающие только за счет неточности задания коэффициента излучения, могут составить величины от нескольких до десятков градусов, что при большинстве температурных обследованиях неприемлемо.

Еще более трудноопределимой является величина температуры отраженного излучения Т₀. Отраженное излучение формируется от различных окружающих объектов, которые могут иметь совершенно различные собственные температуры, причем часто заметно отличающиеся от температуры объекта Т_х. Часть отраженного излучения может иметь сложное происхождение и оказаться даже дважды или многократно переотраженным от ряда объектов, которые могут и не находятся в поле зрения оператора (визуально скрытые объекты). Вклад этих температур в результирующую температуру Т₀ на практике точно определить и даже оценить часто оказывается достаточно трудно. В особенности это относится к объектам, поверхность которых не обладает зеркальным отражением, а диффузно (равномерно или частично направленно) рассеивает падающее на нее внешнее излучение во всех направлениях. Оператор, проводящий съемку, часто полагает, что температура отраженного излучения близка к температуре окружающего воздуха. При съемке в закрытых помещениях, не содержащих ярко выраженных источников тепла, подобная оценка в отдельных случаях может оказаться достаточно точной. Но при наружной съемке на открытом воздухе, особенно в ночное время, когда одним из источников отраженного излучения является чистое небо, температура которого резко отличается от температуры других источников и близка к минус 50-60°С, неточность задания температуры отраженного излучения T₀ может составить величины порядка десятка процентов и привести к ошибке вычисления температуры Т_х до десятков градусов.

Ошибки измерения, связанные с неточностью задания коэффициента излучения и температуры отраженного излучения, суммируются и значительно возрастают в тех случаях, когда температура отраженного излучения заметно превосходит температуру обследуемого объекта или объект имеет сравнительно низкий коэффициент излучения. По этой причине многие нормативные документы, например [1, 2], просто не рекомендует проводить работы при коэффициентах излучения ε≤0,7, что резко сужает круг обследуемых объектов.

Для коррекции измерений с учетом неопределенности при задании параметров ε и T₀ на практике используется несколько способов.

Первый из них состоит в том, что при обследованиях вместо термограммы получают съемочный кадр в виде поля значений выходных сигналов тепловизора, который, по сути, аналогичен полю радиационной температуры. При этом калибровка тепловизора на радиационную температуру не обязательна. Далее устанавливают связь между выходным сигналом тепловизора и измеренной контактным методом собственной температурой объекта на двух реперных участках его поверхности [2]. Реперные участки выбирают по максимальному и минимальному выходному сигналу на кадре тепловизора. По значениям измеренной температуры и величины сигнала на них, используя линейную аппроксимацию устанавливают связь между величиной сигнала и температурой объекта в каждой точке термограммы. Данный способ обладает тем преимуществом, что при его реализации не требуется определение коэффициента излучения и температуры отраженного излучения. Недостатком способа является его не высокая точность, связанная с использованием линейной зависимости между сигналом и измеряемой температурой. Поскольку реально эта зависимость является значительно нелинейной, точность заметно уменьшается при увеличении разности температуры на реперных участках. Кроме того, точность заметно уменьшается по мере уменьшения коэффициента излучения обследуемого объекта, при наличии на поверхности объекта зон с различными коэффициентами излучения и при увеличении температуры отраженного излучения. Другим недостатком способа является его сложная реализация, особенно в полевых условиях. Способ предполагает построение поля значений выходных сигналов, ручное вычисление градуировочных коэффициентов и дальнейший пересчет выходных сигналов в температуру. В описании реализации способы указано, что все эти операции осуществляют с помощью графического построения изолиний выходных сигналов с дальнейшим пересчетом и присвоением им температурных значений. Данный способ широко использовался в условиях, когда тепловизионная техника не снабжалась встроенным программным обеспечением для обработки сигналов и их пересчета в температуру обследуемой поверхности.

Известен аналогичный предыдущему способ измерения температурного поля, но реализуемый в условиях использования современных тепловизоров, в которых проводится самостоятельная математическая обработка сигналов измерения [3]. Способ основан на уточнении результатов тепловизионного измерения температурных полей, при котором в процессе каждого конкретного обследования проводят контактное измерение температуры на одном или нескольких реперных участках и по результатам измерений проводят корректировку градуировочной (калибровочной) характеристики ИК-прибора таким образом, чтобы показания тепловизора для каждого реперного участка максимально совпадали с результатами измерения температуры контактным методом. По своей сути, способ сводится к определению усредненных коэффициентов пересчета измеряемой тепловизором радиационной температуры в температуру объекта без решения уравнения энергетического баланса (1). Это может быть реализовано только в том случае, когда при тепловизионной съемке оператор в тепловизоре задает величину коэффициента излучения ε=1. Способ обладает тем преимуществом, что при его реализации также не требуется точное определение и ввод в прибор коэффициента излучения и температуры отраженного излучения. К недостаткам способа относится то, что он не позволяет обеспечить достаточно высокую точность определения температурного поля на поверхности объекта, что опять же связано с тем, что корректируемая градуировочная характеристика тепловизора является нелинейной функцией температуры, а при вычислении усредненных коэффициентов пересчета не учитываются возможные неоднородности распределения коэффициента излучения и отраженного излучения на поверхности объекта. Способ может обеспечить максимальную точность только в тех случаях, когда поверхность обследуемого объекта является плоской и максимально однородной по коэффициентам излучения. При каждом обследовании однотипных объектов, имеющих разные температуры поверхности и находящихся в различных внешних условиях по отраженному излучению, реализация способа требует повтора полного набора сопутствующих измерительных и вычислительных процедур для каждого из объектов. Кроме того, реализация способа требует дополнительное вычислительное оборудование, коммуникации связи и является сложной, поскольку необходимо вмешательство в программное обеспечение прибора, считывание данных выходного сигнала и дополнительный пересчет измеренных данных.

Известен более простой в реализации способ, также основанный на корректировке результатов измерений в современных ИК-приборах, при котором для корректировки результатов в зарегистрированном ИК-прибором массиве данных поля температур на поверхности объекта проводят сдвиг шкалы температуры на величину, равную разности между измеренной контактным методом и зарегистрированной прибором температурой на реперном участке [1]. Сдвиг шкалы температуры проводится без сложной корректировки и изменения градуировочной характеристики и осуществляется в программном обеспечении для обработки результатов измерений. Способ, также как и приведенный выше, позволяет скорректировать результаты измерения в условиях не полностью определенных величин коэффициента излучения и температуры отраженного излучения. Однако в ряде случаев этот способ может приводить к недостаточно точным результатам, что также связано с тем, что градуировочная характеристика ИК-приборов является нелинейной функцией температуры.

Наиболее близким по техническому решению и принятому за прототип, является способ обследования поверхности объекта инфракрасным прибором, при котором измеряют температуру отраженного излучения, выбирают реперный участок на поверхности и измеряют на нем коэффициент излучения, вводят в прибор измеренные величины температуры отраженного излучения и коэффициента излучения и поводят последующее обследование объекта [4]. Определение температуры отраженного излучения и коэффициента излучения выполняют с помощью того же ИК-прибора, которым проводят обследование объекта. Данный способ позволяет проводить обследования с использованием практически всех современных ИК-приборов.

При реализации способа определение температуры отраженного излучения проводят следующим образом. Вблизи обследуемой поверхности или на самой поверхности устанавливают маркер с диффузно рассеивающими излучение свойствами (излучатель Ламберта, рассеивающий излучение одинаково во всех направлениях). Диффузное рассеяние достигается за счет создания геометрических неоднородностей на поверхности маркера. В способе предполагается, что излучатель Ламберта выполнен из материала с очень высоким и близким к единице коэффициентом отражения, например из смятой алюминиевой фольги. Предполагается, что в этом случае от маркера на ИК-прибор будет поступать только отраженное излучение. Для того чтобы наблюдать температуру этого излучения, которая должна оказаться радиационной температурой маркера, в ИК-прибор вводят значение коэффициента излучения ε=1.

Измерение коэффициента излучения в способе-прототипе проводят одним из двух следующих методов:

В первом методе на реперном участке поверхности измеряют температуру контактным методом, затем проводят наблюдение реперного участка ИК-прибором, при котором последовательно изменяют вводимую в прибор величину коэффициента излучения. При достижении наблюдаемой прибором величины температуры реперного участка, близкой к его температуре, измеренной контактным методом, вводимую в прибор величину коэффициента излучения прекращают изменять и фиксируют в приборе.

Второй метод позволяет измерить коэффициент излучения без контактного измерения температуры реперного участка. Для этого на реперном участке создают выделенную зону с известным коэффициентом излучения. В ИК-прибор вводят известную величину коэффициента излучения и проводят наблюдение температуры этой зоны. Затем проводят наблюдение температуры вблизи выделенной зоны, одновременно изменяя вводимую в прибор величину коэффициента излучения. При достижении наблюдаемой прибором величины температуры, близкой к температуре выделенной зоны, вводимую в прибор величину коэффициента излучения прекращают изменять и фиксируют в приборе. Выделенную зону с известным коэффициентом излучения создают либо с помощью наклейки соответствующего маркера, либо нанесением на поверхность покрытий с высоким, близким к ε≈1, коэффициентом излучения в виде краски, масла, сажи и др.

Способ-прототип обладает тем преимуществом, что с его помощью возможно проведение оперативных температурных обследований, не прибегая к сложной обработке и корректировке результатов. Важным является то, что необходимые для обследований температура отраженного излучения и коэффициент излучения объекта измеряются с помощью того же ИК-прибора, которым проводятся дальнейшие обследования.

Недостатком способа-прототипа является сравнительно невысокая точность определения температуры объекта, которая имеет место по следующим причинам.

Во-первых, при определении температуры отраженного излучения способ не учитывает того факта, что реальные маркеры, тем более, с диффузно рассеивающей поверхностью, не могут иметь величину коэффициента отражения, близкую или равную единице. Практически все материалы, в том числе даже гладкая алюминиевая фольга, не обладают абсолютно отражающей поверхностью и имеют некоторую способность поглощать, и соответственно, испускать излучение. Диффузность поверхности маркера достигается за счет обеспечения ее определенной геометрически неоднородной структуры, например, с помощью сжатия, на которой за счет неоднородностей имеет место многократное отражение, поглощение и испускание излучения в различных направлениях, в результате которых реальный коэффициент излучения дополнительно увеличивается и, соответственно, коэффициент отражения снижается. Таким образом, при реализации способа, задавая коэффициент излучения ε=1, в прибор вводится некорректное его значение, которое позволяет измерить радиационную температуру, но температура отраженного излучения будет определяться неточно. Например, если, как указано в способе-прототипе, использовать в качестве маркера алюминиевую фольгу, то собственный реальный коэффициент излучения гладкой фольги, согласно табличным данным, составляет ε=0,05-0,15. Если теперь из фольги изготовить диффузно рассеивающий излучатель с помощью ее сжатия, то реальный коэффициент излучения маркера может увеличиться до ε=0,15-0,45. Такой маркер будет как рассеивать отраженное излучение, так и испускать заметно большую долю собственного излучения, соответствующего его собственной температуре. В результате определенная по способу-прототипу величина температуры отраженного излучения может заметно отличаться от истинной, что может привести к неточности определения температуры при дальнейшем обследовании объекта.

Во-вторых, в способе для определения температуры отраженного излучения используется маркер с диффузно рассеивающими свойствами. Это означает, что маркер рассеивает, в частности, в направлении ИК-прибора, излучение, поступающее на его поверхность от всех окружающих объектов, часть которых может быть «горячими», другая часть «холодными» и др. Измеренная температура отраженного излучения от такого маркера будет соответствовать температуре совокупного излучения от всех окружающих объектов. Если обследуемый объект является диффузно рассеивающим, то отраженное от него излучение также является совокупным от всех окружающих объектов. Вопрос только в точности измерения его температуры, которая может оказаться невысокой по вышеописанным причинам. Если же обследуемый объект имеет зеркально отражающую поверхность (например, остекления, гладкие и полированные материалы и др.), то при его обследовании на ИК-прибор будет поступать отраженное излучение от объектов, находящихся только в зоне зеркальной видимости ИК-прибора, а не от всех объектов, как это имеет место в случае диффузно рассеивающего маркера. В результате измеренная на маркере температура отраженного излучения может оказаться заметно отличающейся от температуры реально отраженного излучения от обследуемого объекта.

В силу указанных причин способ-прототип нуждается в коррекции, которая должна гарантировать высокую точность определения температурных полей при обследованиях объектов.

Целью настоящего изобретения является повышение точности обследований поверхности объектов инфракрасными приборами, которая может быть достигнута за счет повышения точности определения коэффициента излучения и температуры отраженного излучения.

Технический результат, который достигается при использовании изобретения, состоит в оперативном и достаточно точном определении температуры отраженного излучения и коэффициента излучения обследуемой поверхности, которые вводятся в ИК-прибор для проведения обследования.

Для достижения поставленной цели и технического результата предложен способ обследования поверхности объекта инфракрасным прибором, включающий измерение температуры отраженного излучения, выбор реперного участка на поверхности и измерение на нем коэффициента излучения, ввод их в прибор и последующее обследование объекта. Измерение коэффициента излучения в заявленном способе также как в способе-прототипе проводят после ввода в прибор предварительно измеренной величины температуры отраженного излучения. Для измерения температуры отраженного излучения используют маркер с известным коэффициентом излучения, в прибор вводят значение коэффициента излучения маркера, проводят измерение температуры маркера и последующее наблюдение маркера прибором, при котором последовательно изменяют вводимую в прибор температуру отраженного излучения. При достижении наблюдаемой прибором величины температуры маркера, близкой к его измеренной температуре, температуру отраженного излучения прекращают изменять и фиксируют в приборе, причем в качестве маркера используют материал с относительной шероховатостью поверхности в рабочем спектральном диапазоне прибора, аналогичной относительной шероховатости поверхности обследуемого объекта.

Отличительными признаками предложенного способа от способа-прототипа являются следующие:

1) В предложенном способе для определения температуры отраженного излучения используют маркер с известным коэффициентом излучения, в прибор вводят значение коэффициента излучения маркера, проводят измерение температуры маркера и последующее наблюдение маркера прибором, при котором последовательно изменяют вводимую в прибор температуру отраженного излучения. При достижении наблюдаемой прибором величины температуры маркера, близкой к его измеренной температуре, температуру отраженного излучения прекращают изменять и фиксируют в приборе.

Данные отличительные признаки изобретения указывают, каким способом проводят измерение температуры отраженного излучения.

Преимуществом указанного отличия является то, что оно позволяют измерить величину температуры отраженного излучения с наименьшей погрешностью и, тем самым, повысить точность измерения коэффициента излучения и точность дальнейших проводимых обследований объекта. Высокая точность измерения температуры отраженного излучения достигается введением в ИК-прибор заранее известного коэффициента излучения маркера, измерении его температуры и последующим подбором величины температуры отраженного излучения таким образом, чтобы ИК-прибор показал температуру маркера, близкую к его истинной заранее измеренной температуре.

Использование указанного отличия является достаточным условием для частичного достижения цели и технического результата изобретения - повышения точности измерения температуры отраженного излучения и, как следствие, повышения точности обследования объекта.

Сама процедура измерения температуры отраженного излучения является подготовительной для дальнейшего бесконтактного обследования поверхности объекта. При этом используемая в ней операция измерения температуры маркера также относится к подготовительным операциям.

2) В предложенном способе в качестве маркера используют материал с относительной шероховатостью поверхности в рабочем спектральном диапазоне прибора, аналогичной шероховатости поверхности обследуемого объекта.

Требования к относительной шероховатости поверхности маркера определяются следующими обстоятельствами. Дело в том, что при наблюдении маркера ИК-прибором, прибор должен воспринимать отраженное излучение от тех же источников, что и при дальнейшем обследовании объекта. Это зависит от структуры поверхности маркера и объекта. Обе поверхности должны быть либо зеркально отражающими, либо в той или иной степени рассеивающими. Главным критерием, характеризующим структуру поверхности, является ее относительная шероховатость RSh, которая определяется как отношение среднего размера вертикальных и горизонтальных неоднородностей (шероховатости) на поверхности объекта к величине средней длины волны спектрального рабочего диапазона инфракрасного прибора RSh=δ/λ. В тех случаях, когда RSh<<1, поверхность является зеркальной для падающего излучения, при RSh>>1 поверхность является диффузно рассеивающей и при RSh≈1 поверхность является частично шероховатой (с направленно-диффузным рассеянием). Относительные шероховатости маркера и поверхности должны быть аналогичными, т.е. обе больше единицы, меньше единицы или примерно равными единице, но вовсе не обязательно равными одна другой, что значительно облегчает выбор и изготовление маркера. Использование данного признака позволяет существенно увеличить точность определения температуры отраженного излучения и коэффициента излучения, а также точность обследования объекта.

Использование указанного отличия во всей совокупности отличительных признаков является необходимым условием для частичного достижения цели и технического результата изобретения - повышения точности определения температуры отраженного излучения и, как следствие, повышение точности обследования объекта.

Вся приведенная выше совокупность отличительных признаков является необходимой и достаточной для достижения поставленной цели и технического результата и соответствует условию выполнения единства изобретения.

Способ обследования поверхности объекта инфракрасным прибором осуществляют следующим образом.

Перед началом обследования объекта проводят настройку ИК-прибора, заключающуюся во вводе в него параметров - величин температуры отраженного излучения и коэффициента излучения поверхности.

Перед вводом параметров проводят их измерение тем же самым ИК-прибором.

Первоначально проводят измерение температуры отраженного излучения, для чего вблизи обследуемой поверхности или на самой поверхности устанавливают маркер с известным коэффициентом излучения. Для минимизации эффекта тепловой инерции маркер может иметь малую толщину, например, выполнен в виде пластины и др. Маркер должен быть установлен параллельно обследуемой поверхности. Поверхность маркера может быть плоской, но в отдельных случаях сильно искривленных поверхностей обследуемых объектов поверхность маркера должна иметь близкой радиус кривизны.

Материал маркера должен удовлетворять следующим двум условиям:

- невысокий коэффициент излучения, который необходим для того, чтобы увеличить точность определения температуры отраженного излучения. При выборе коэффициента излучения маркера можно исходить из критерия, что в случае обследования объекта со сравнительно высоким оценочным по табличным данным коэффициентом излучения (например, многие строительные материалы, для которых ε≈0,85-0,95), коэффициент излучения маркера не должен превышать оценочную величину, а лучше оказаться заметно ниже. Если оценочный коэффициент излучения объекта невелик (например, металлические конструкции или изделия с металлизированными покрытиями), то коэффициент излучения маркера должен иметь величину того же порядка или в отдельных случаях даже несколько превышать его. Основной принцип при выборе коэффициента излучения маркера таков, что чем ниже его величина, тем точнее определяется температура отраженного излучения.

- относительная шероховатость поверхности маркера в спектральном диапазоне ИК-прибора должна быть аналогична шероховатости поверхности обследуемого объекта. Для хорошо (зеркально) отражающих объектов (например, стекла, гладкие и полированные материалы, неокрашенные гладкие металлы и метализированные поверхности и др.) относительная шероховатость маркера должна быть заметно меньше единицы. На практике удовлетворительные результаты могут быть получены при значениях RSh≈0,05-0,2. Для диффузно рассеивающих шероховатых объектов (кирпич, дерево и пр.) относительная шероховатость маркера должна быть заметно больше единицы. Удовлетворительные результаты могут быть получены при RSh≈2-5. Для частично шероховатых поверхностей (матовые в видимом свете поверхности) относительная шероховатость должна быть близка к единице. Удовлетворительные результаты могут быть получены при RSh≈0,7-1,5. В качестве маркера могут быть использованы различные материалы с соответствующими свойствами, в частности, металлические пластины с различной степенью шероховатости. Для примера, полированная нержавеющая сталь может иметь коэффициент излучения на уровне ε=0,1. Нанесение на нее шероховатостей различной степени может увеличить коэффициент излучения до величины ε=0,35, но при этом он остается сравнительно небольшой величиной.

При оценке относительной шероховатости маркера не следует полагаться только на визуальные наблюдения, т.к. шероховатая в видимом оптическим диапазоне (0,38-0,78 мкм) поверхность может оказаться зеркальной в ИК-диапазоне (например, 8-14 мкм). Для реализации способа необходимо иметь набор различных эталонных маркеров с различными шероховатостями и известными коэффициентами излучения. Оценка аналогичности относительной шероховатости маркера и обследуемого объекта на практике достаточно просто может быть выполнена с помощью сравнительных наблюдений ИК-прибором под разными углами отражения от них какого-либо контрастного по температуре источника ИК-излучения, например, небольшого нагретого тела или, в крайнем случае, просто лица оператора.

Размер маркера должен быть таким, чтобы с расстояния в несколько метров он хорошо наблюдался в ИК-приборе.

После установки маркера в ИК-прибор вводят величину его коэффициента излучения и проводят измерение температуры маркера. Если маркер установлен на самой обследуемой поверхности, то измерение его температуры проводят контактным методом (контактным термометром). Измерение температуры маркера проводят либо однократно, либо непрерывно, что является более предпочтительным. Если маркер установлен на некотором расстоянии от поверхности, например, на расстоянии 15-20 см и более, то в отдельных случаях, например, по истечении времени, соответствующего тепловой инерции маркера, контактное измерение его температуры может быть заменено на измерение температуры окружающего воздуха. После измерения температуры маркера или в процессе измерения проводят наблюдения маркера ИК-прибором. В процессе наблюдения маркера последовательно изменяют вводимую в ИК-прибор температуру отраженного излучения. При достижении наблюдаемой прибором величины температуры маркера, близкой к его измеренной температуре, температуру отраженного излучения прекращают изменять и фиксируют в приборе (вводят в ИК-прибор). В качестве критерия близости наблюдаемой и измеренной температуры маркера может быть использована величина, не превышающая паспортную приборную погрешность ИК-прибора.

После ввода в ИК-прибор температуры отраженного излучения приступают к измерению коэффициента излучения на выбранном реперном участке обследуемой поверхности. Выбор реперного участка определяется следующими условиями: Структура его поверхности должна быть близка к структуре поверхности обследуемой части объекта, максимально однородной и не содержать механических повреждений и загрязнений. Если большая часть поверхности объекта загрязнена, то в качестве реперного участка выбирают загрязненную часть поверхности. Реперный участок должен быть таким, что при наблюдении ИК-прибором на нем должны отсутствовать температурные аномалии.

В том случае, когда обследуемая поверхность имеет неоднородную структуру (например, содержит конструктивные элементы, выполненные из различных материалов, светопрозрачные включения, загрязнения, механические повреждения и др.), то на обследуемой поверхности выбирают дополнительные реперные участки, соответствующие однотипным зонам.

Определение коэффициента излучения проводят на основном, и если требуется, на дополнительных реперных участках. Определение коэффициента излучения осуществляют известными методами [4] с помощью используемого для обследований ИК-прибора. Например, определение коэффициента может быть выполнено полностью бесконтактным методом. В этом случае на реперном участке создают выделенную зону с известным коэффициентом излучения.

Выделенную зону с известным коэффициентом излучения создают либо с помощью наклейки соответствующего маркера, либо нанесением на поверхность покрытий с высоким, близким к ε≥0,98, коэффициентом излучения в виде краски, масла, сажи и др. В ИК-прибор вводят значение коэффициента излучения маркера. Далее ИК-прибором проводят наблюдение температуры этой зоны. Затем проводят наблюдение температуры вблизи выделенной зоны, одновременно изменяя вводимую в прибор величину коэффициента излучения. При достижении наблюдаемой прибором величины температуры, близкой к температуре выделенной зоны, вводимую в прибор величину коэффициента излучения прекращают изменять и фиксируют в приборе (вводят в прибор для дальнейшего обследования объекта). В качестве критерия близости наблюдаемой и измеренной ранее температуры маркера может быть использована величина, не превышающая паспортную приборную погрешность ИК-прибора.

В качестве другого метода определения коэффициента излучения может быть использован метод, при котором на реперном участке измеряют температуру контактным методом. Затем проводят наблюдение реперного участка ИК-прибором, при котором последовательно изменяют вводимую в прибор величину коэффициента излучения. При достижении наблюдаемой прибором величины температуры реперного участка, близкой к его температуре, измеренной контактным методом, вводимую в прибор величину коэффициента излучения прекращают изменять и фиксируют в приборе (вводят в прибор для дальнейшего обследования объекта).

После ввода в ИК-прибор коэффициентов излучения и температуры отраженного излучения, ИК-прибор готов для обследования поверхности.

В том случае, когда на обследуемой поверхности обнаружено несколько зон с различными коэффициентами излучения, полное обследование может быть выполнено различными способами. Для этого при термографическом обследовании тепловизионным ИК-прибором могут быть использованы дополнительные возможности тепловизора. Если в тепловизоре имеется возможность введения одновременно нескольких коэффициентов излучения, то эти коэффициенты вводятся в соответствии с местоположением однородных дополнительных зон и проводится съемка объекта. Если в тепловизоре имеется возможность введения только одного коэффициента излучения, то в него вводится его величина, соответствующая однородной зоне с максимальной площадью поверхности. Остальные коэффициенты излучения, определенные для дополнительных зон, используются при последующей математической обработке полученных температурных полей на термограмме, которая может быть выполнена на основе уравнения энергетического баланса на приемнике излучения (1).

При пирометрическом измерении температуры для каждой точки измерения на поверхности при необходимости используется коррекция (ввод) характерной для нее величины коэффициента излучения.

При обследовании протяженных объектов по мере увеличения угла наблюдения потребуется дополнительная коррекция заранее определенных базовых величин коэффициента излучения и температуры отраженного излучения, что достигается с помощью их последующего дополнительного ввода.

При реализации заявленного изобретения достигаются следующие преимущества:

- оперативное измерение температуры отраженного излучения и коэффициента излучения обследуемого объекта;

- достаточно точное измерение температуры отраженного излучения и коэффициента излучения обследуемого объекта. Погрешность измерения коэффициента излучения составляет не более 1-2% для высокоэмиссионных объектов с коэффициентом излучения ε≥0,7 и не более 5% для среднеэмиссионных объектов с коэффициентом излучения в пределах ε=0,35-0,7. Погрешность определения температуры отраженного излучения не превышает 5°С;

- повышенная точность бесконтактных обследований поверхности объектов. Точность определения температурного поля тепловизионным методом или температуры пирометрическим методом приближается к приборной погрешности.

Пример реализации способа

Проводятся тепловизионные обследования отапливаемого изнутри отдельно стоящего здания. Стены здания утеплены и снаружи выполнены из пенобетона. Обследования проводятся с помощью тепловизора с рабочим диапазоном длин волн λ_1,2=8…14 мкм. Задачей обследования является бесконтактное определение величины приведенного сопротивления теплопередаче стен здания.

Приведенное сопротивление теплопередаче вычисляется как:

где и - температуры (°С) внутреннего и наружного воздуха, соответственно, а средняя по стене величина плотности теплового потока (Вт/м²) из здания в наружный воздух, которая вычисляется как

здесь α - коэффициент теплоотдачи в наружный воздух, который согласно нормативным документам (см., например, Свод Правил СП 50.13330.2012. Тепловая защита зданий. М., 2012) принят равным α=23 Вт/(м²⋅°С) и - средняя по поверхности стены ее наружная температура. Температуры внутреннего и наружного воздуха составляют и соответственно.

Таким образом, задача сводится к измерению средней температуры , которая наиболее просто может быть выполнена с помощью тепловизионного обследования.

Тепловизионное обследование проводится в ночное время в условиях безоблачного неба. Почва вокруг здания покрыта снегом.

Тепловизионные обследования стен здания выполнены тремя различными способами:

- Первый - без коррекции величин температуры отраженного излучения и коэффициента излучения;

- Второй - с коррекцией этих величин, выполненной по способу-прототипу [4];

- Третий - с коррекцией, выполненной по заявленному способу.

Для сравнения результатов выбран участок поверхности стены, максимально однородный по своей структуре. Предварительный тепловизионный осмотр участка показал, что на нем отсутствуют аномальные температурные зоны.

Получены следующие результаты каждого обследования.

1. Первый способ.

Табличные данные по коэффициенту излучения пенобетона недоступны, поэтому в тепловизор введено его значение, часто используемое на практике по умолчанию ε₁=0,95. Величина температуры отраженного излучения положена равной температуре наружного воздуха . Результаты тепловизионной съемки при таких параметрах показали, что средняя температура участка поверхности стены составляет , что является заведомо неверным при проведении расчетов по формулам (2) и (3), поскольку измеренная температура стены оказалась ниже температуры окружающего воздуха. Полученное таким образом приведенное сопротивление теплопередаче оказывается отрицательным и равно R₁=-1,16 (м²⋅°С)/Вт.

2. Второй способ.

Первоначально проводят измерение температуры отраженного излучения для чего на небольшом расстоянии от стены устанавливают маркер, выполненный из смятой, а затем расправленной алюминиевой фольги. В тепловизор вводят величину коэффициента излучения ε₂=1,0 и наблюдают температуру маркера, равную t_0-1=-23,4°С, которую принимают в качестве температуры отраженного излучения. Полученная таким образом температура отраженного излучения является более достоверной величиной по сравнению с первым способом, поскольку в условиях проводимого обследования основными источниками отраженного излучения являются чистое безоблачное небо с температурой (-50 - -60)°С и снежный покров, который также частично рассеивает в направлении объекта «холодное» излучение от неба.

Задав в приборе предварительно измеренную температуру отраженного излучения t_0-1=-23,4°С проводят измерение коэффициента излучения. Для этого на стену наклеивают маркер с известным коэффициентом излучения ε₃=0,95, значение которого вводят в тепловизор. В тепловизоре наблюдается температура маркера и затем путем подбора коэффициента излучения достигают показаний температуры тепловизора вблизи маркера, совпадающих с температурой, ранее зафиксированной на маркере. Полученное таким образом значение коэффициента излучения стены составляет ε₄=0,82.

Далее измеренные величины коэффициента излучения и температуры отраженного излучения вводят в тепловизор и проводят съемку объекта. Результаты тепловизионной съемки при таких параметрах показали, что средняя температура участка поверхности стены составляет . Полученное таким образом приведенное сопротивление теплопередаче оказывается равным R₂=0,99 (м²⋅°С)/Вт.

3. Заявленный способ.

Первоначально проводят измерение температуры отраженного излучения. Для этого используют диффузно рассеивающий маркер в виде тонкой пластины из нержавеющей стали с относительной шероховатостью поверхности RSh≈5. Выбор такого маркера обусловлен тем, что обследуемая поверхность из пенобетона также является диффузно рассеивающей излучение в рабочем диапазоне длин волн тепловизора λ_1,2=8…14 мкм. Факт диффузного рассеяния поверхности установлен с помощью наблюдения тепловизором отражения от дополнительных «теплых» источников излучения, в частности отражения излучения от лица оператора. При наблюдениях тепловой след просматривался в виде сильно размытых пятен с отсутствием правдоподобного контура. Характерный размер геометрических неоднородностей (шероховатость) поверхности маркера составляет δ≈45-65 мкм. Коэффициент излучения маркера измерен в лабораторных условиях и равен ε₅=0,35. Температура маркера совпадает с температурой окружающего воздуха и равна t_м=-10°С.

Маркер устанавливают вблизи обследуемой поверхности параллельно ей, а в тепловизор вводят значение коэффициента излучения маркера ε₅. Далее, изменяя вводимую в тепловизор температуру отраженного излучения и наблюдая маркер, достигают совпадения наблюдаемой температуры с температурой маркера. Полученная таким образом температура отраженного излучения составляет t_0-2=-29,9°С.

После этого в тепловизор вводят измеренную температуру отраженного излучения t_0-2 и измеряют коэффициент излучения стены. Измерения проводят аналогично описанным в вышеприведенном Втором способе. Полученное таким образом значение коэффициента излучения стены составляет ε₆=0,91.

Далее измеренные величины коэффициента излучения s₆ и температуры отраженного излучения t_0-2 вводят в тепловизор и проводят съемку объекта. Результаты тепловизионной съемки при таких параметрах показали, что средняя температура участка поверхности стены составляет . Полученное таким образом приведенное сопротивление теплопередаче оказывается равным R₃=1,74 (м²⋅°С)/Вт.

Для проверки точности получаемых результатов по заявленному способу и второму способу (способ-прототип) выполнены контрольные измерения температуры обследуемой поверхности контактным методом. Измерения показали, что средняя температура участка поверхности стены составляет , а вычисленное значение приведенного сопротивления теплопередаче составляет R₄=1,99 (м²⋅°С)/Вт.

Таким образом, использование заявленного способа по сравнению с прототипом позволило снизить погрешность измерения температуры до величины 0,1°С и погрешность определения приведенного сопротивления теплопередаче до 12,5%. При использовании способа-прототипа эти погрешности составляют 0,7°С и 50%, соответственно.

Источники информации

1. ГОСТ Р 54852-2011. «Здания и сооружения. Метод тепловизионного контроля качества теплоизоляции ограждающих конструкций».

2. ГОСТ 26629-85. «Здания и сооружения. Метод тепловизионного контроля качества теплоизоляции ограждающих конструкций».

3. Патент RU 2424496 С2. «Способ дистанционного измерения температурного поля», кл. G01J 5/08, 2009, опубл. 20.07.2011, бюл. №20.

4. ГОСТ Р ИСО 18434-1-2013. «Контроль состояния и диагностика машин» Термография. Часть 1. Общие методы.

Изобретение относится к области инфракрасной (ИК) термографии и радиометрическим способам измерения температуры и может быть использовано при визуализации и определении температурных полей на поверхности объектов с помощью тепловизионной техники и при пирометрических измерениях температуры. Способ осуществляют следующим образом. Перед началом обследования объекта проводят настройку ИК-прибора, заключающуюся во вводе в него параметров - величин температуры отраженного излучения и коэффициента излучения поверхности. Перед вводом параметров проводят их измерение тем же самым ИК-прибором. Для этого первоначально проводят измерение температуры отраженного излучения, для чего используют маркер с известным коэффициентом излучения и с относительной шероховатостью поверхности в рабочем спектральном диапазоне ИК-прибора RSh=δ/λ, аналогичной относительной шероховатости поверхности обследуемого объекта (δ - шероховатость поверхности (мкм), λ - средняя длина волны спектрального диапазона (мкм)). Относительные шероховатости считаются аналогичными, если они обе превышают единицу, меньше единицы или порядка единицы. В ИК-прибор вводят величину коэффициента излучения маркера, измеряют температуру маркера, например, контактным методом и проводят наблюдения маркера ИК-прибором, последовательно изменяя вводимую в него температуру отраженного излучения. При достижении наблюдаемой температуры маркера, близкой к его измеренной температуре, температуру отраженного излучения прекращают изменять и фиксируют в приборе. После этого приступают к измерению с помощью ИК-прибора коэффициента излучения на выбранном основном и, если необходимо, дополнительных реперных участках обследуемой поверхности. Для измерения коэффициента излучения на поверхности объекта могут создать выделенную зону с известным коэффициентом излучения, например, с помощью наклейки соответствующего маркера, вводят в прибор коэффициент излучения маркера, наблюдают температуру на маркере, а затем, изменяя вводимый в прибор коэффициент излучения, наблюдают температуру вблизи маркера, добиваясь ее совпадения с температурой маркера. В качестве другого метода измерения коэффициента излучения может быть использован метод, при котором на реперном участке измеряют температуру контактным методом. Затем проводят наблюдение реперного участка ИК-прибором, при котором также последовательно изменяют вводимую в прибор величину коэффициента излучения. После измерения и ввода в ИК-прибор коэффициентов излучения и температуры отраженного излучения, ИК-прибор готов для обследования поверхности. Технический результат - повышение точности обследований поверхности объектов ИК-приборами, которая может быть достигнута за счет повышения точности определения коэффициента излучения и температуры отраженного излучения.

Способ обследования поверхности объекта инфракрасным прибором, включающий измерение температуры отраженного излучения, выбор реперного участка на поверхности и измерение на нем коэффициента излучения, ввод в прибор измеренных величин температуры отраженного излучения и коэффициента излучения и последующее обследование объекта, отличающийся тем, что для измерения температуры отраженного излучения используют маркер с известным коэффициентом излучения, в прибор вводят значение коэффициента излучения маркера, проводят измерение температуры маркера и последующее наблюдение маркера прибором, при котором последовательно изменяют вводимую в прибор температуру отраженного излучения, при достижении наблюдаемой прибором величины температуры маркера, близкой к его измеренной температуре, температуру отраженного излучения прекращают изменять и фиксируют в приборе, причем в качестве маркера используют материал с относительной шероховатостью поверхности в рабочем спектральном диапазоне прибора, аналогичной относительной шероховатости поверхности обследуемого объекта.