Технические особенности выполнения ИК измерений применительно к определению температуры бетона

Рассматривая ИК технику в качестве средства построечного контроля температуры бетона, и при выполнении измерений с её помощью следует учитывать особенности выполнения ИК измерений и факторы, которые могут приводить к существенным ошибкам измерений.

Объект, область и технические особенности ИК измерений.

Согласно рекомендациям [112,129,133,140], температуру бетона в ходе выдерживания монолитных конструкций следует определять на глубине 5…10см от поверхности. ИК приборы принципиально не могут выполнить такие измерения, поскольку они измеряют температуру на поверхности тел. Таким образом, в качестве объекта измерения может выступать любая доступная для проведения измерений поверхность тела:

- при прямых измерениях – открытая поверхность бетона или, как исключение, тонкая полиэтиленовая плёнка, плотно прилегающая к поверхности бетона без образования складок (для ИК измерителей со спектральным диапазоном измерений 8...14мкм она прозрачна при минимуме рассеяния);

- при косвенных измерениях – наружная поверхность палубы неутеплённой опалубки (которая выступает в качестве приемлемого носителя информации о температуре бетона).

Пирометры выполняют средневзвешенные измерения температуры поверхности в пределах некоторого пятна, размеры которого зависят от типа используемого прибора (показателя визирования, фокусировки), расстояния до измеряемой поверхности (рис. 3.1) и угла наблюдения.

а)

б)

Рис. 3.1 Диаметр пятна измерений в зависимости от показателя визирования, фокусировки пирометра и расстояния до объекта измерения: а) — прибор с высоким показателем визирования и одноточечным лазерным указателем; б) — прибор с низким показателем визирования и двуточечным лазерным указателем ширины пятна измерений

При выполнении измерений пирометрами пятно измерений должно гарантированно находиться на материале измеряемой поверхности, т.е. пятно измерений должно полностью умещаться на исследуемой поверхности и в нём не должны оказываться посторонние предметы и детали (например, стальное ребро опалубки или часть, утепления, наплыв бетона или грязи). Этому способствует применение пирометров с указателями ширины пятна измерений (две и более точки лазера), применение приборов с малым углом ИК визирования (высоким показателем визирования или оптическим отношением), либо уменьшение дистанции измерений. Указанное требование вызвано необходимостью предотвращения существенные искажения результатов ИК измерений за счёт температуры окружающего воздуха и окружающих предметов.

Тепловизоры позволяют не просто определять температуру в какой-то точке, а видеть полное тепловое отображение объектов (сканирование в реальном времени, фото, видео). В большинстве случаев тепловизоры лишены проблем с нацеливанием на объект. Размер захватываемого изображения зависит от дистанции и угла ИК визирования. Для увеличения угла ИК визирования могут применяться съёмные широкоугольные объективы.

Коэффициент излучения поверхности.

Для определения температуры с помощью ИК техники требуется знание коэффициента излучения (степени черноты, ε =0...1) материала исследуемой поверхности (отношения излучения объекта контроля к излучению чёрного тела). Если не учитывать коэффициент излучения (ε =1), то будет получена более низкая температура, чем истинная (т.е. «кажущаяся», «яркостная» или «радиационная» температура поверхности).

При известном коэффициенте излучения (Е) и измеренной ИК прибором радиационной температуре (Т_ик), фактическая температура (Т_ф) находится по формуле (3.1):

(3.1)

Коэффициент излучения для поверхности одного материала может варьироваться, поскольку зависит не только от свойств самого материала, но и состояния поверхности (гладкая, шероховатая), от её температуры, от угла обзора поверхности, от длинны волны (спектрального диапазона) принимаемого прибором ИК-излучения.

При использовании ИК техники, работающей с длинами волн ИК-излучения 8...14мкм, следует принимать коэффициент излучения именно для этих длин волн. С ростом температуры объекта контроля его коэффициент излучения обычно увеличивается. Для гладких и блестящих поверхностей коэффициент излучения, как правило, меньше, чем для шероховатых и матовых, поскольку они имеют большую отражательную способность. Коэффициенты излучения примерно постоянны в интервале углов наблюдения 0...40 градусов для металлов и 0...60 градусов для диэлектриков. За пределами этих значений коэффициент излучения быстро уменьшается до нуля при направлении наблюдения по касательной [125].

При термографическом контроле следует учитывать, что части исследуемых конструкций могут включать в себя несколько компонентов из разнородных материалов, поверхности которых окрашены, имеют разную степень загрязнённости или обработки, а также могут располагаться под разными углами наблюдения, т.е. могут иметь различные коэффициенты излучения. В связи с этим могут возникнуть ошибочные предположения о перегревах на участках с повышенными коэффициентами излучения.

В некоторой степени без потери точности для построечного контроля можно пренебречь влиянием температуры объекта, а также использовать приборы с фиксированной (не настраиваемой) степенью черноты, которая, в таком случае, обычно принимается равной 0.95, поскольку основные измеряемые поверхности (бетон, фанера, полимеры, матовая краска) имеют степень черноты именно такого порядка – см. ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Ошибка измерения температуры при варьировании степени черноты в пределах ε =0.95±0.05 для температурных условий выдерживания бетона не превышает ±0.5°С.

Солнечное излучение и тепловое отражение.

Солнечные лучи нагревают контролируемую поверхность (объект). Для исключения влияния внешнего нагрева следует осуществлять измерения в местах, не доступных для прямого облучения солнцем.

В ряде случаев приходится сталкиваться с возможностью получения ошибочных результатов из-за теплового отражения (рис. 3.2). Тепловое отражение создает впечатление о наличии высоких температур в местах измерения. Это явление часто имеет место при измерениях на поверхностях с малым коэффициентом излучения; обладающих хорошей отражательной способностью (например, на гладких металлических листах опалубки).

При измерениях на таких поверхностях важно убедиться, что они защищены от постороннего излучения (различных нагревательных элементов, ламп освещения; соседних, нагретых тел и т.п.), особенно от излучения источника высокой температуры.

Рис. 3.2 Влияние теплового отражения

При измерениях по бетону, фанерной опалубке и другим поверхностям, имеющим ε >0,9, отражением дневного или электрического света, а также тепловым отражением можно пренебречь.

Ветер и тепловая инерция.

При выполнении ИК контроля на открытом воздухе, необходимо принимать во внимание возможность охлаждения контролируемого объекта ветром, который зачастую имеет переменную силу и направление. Противодействует изменению температуры объекта (в том числе при действии ветра) его тепловая инерция, которая зависит от материала и величины объекта. Влияние этих факторов может приводить к неоднозначным показаниям, даже при смежных измерениях.

В связи с этим места измерений должны быть защищены от сильного ветра. Не рекомендуется выполнять измерения температуры при скорости ветра более 8м/с (в т.ч. по открытой поверхности бетона).

Поглощение в поле визирования и дальность контроля.

При ИК измерениях следует сводить к минимуму возможное поглощение и рассеивание ИК-излучения от контролируемых объектов в поле визирования. Например, прозрачные водяной пар и различные газы практически не выступают в качестве помех, однако крупные водные капли (дождь или густой пар, особенно в зимнее время при паровом отогреве арматуры), кристаллы снега, частицы пыли, и другие атмосферные помехи могут стать причиной неправильных, обычно заниженных показаний.

Следует также учитывать, что дождь, туман и мокрый снег в значительной степени охлаждают поверхность объекта контроля, которая измеряется с помощью ИК прибора, особенно при наличии сильного ветра.

Для исключения влияния рассеяния и поглощения ИК-излучения следует придерживаться рекомендуемого предельного расстояния выполнения измерений. На небольших расстояниях допускается проводить контроль при небольшом снегопаде с сухим снегом или при легком моросящем дождике.

В любом случае, рассматривая ИК технику в качестве средства построечного контроля температуры, следует придерживаться основных правил измерений, декларируемых в инструкциях использования приборов. Все приборы требуют бережного обращения и периодических поверок.