Инфракрасные пирометры для диагностики теплотехнических характеристик конструкций

Резкий рост стоимости энергоресурсов с одной стороны, и недостаточность инвестиций в последние десятилетия в основные отрасли народного хозяйства — энергетику, строительную индустрию, жилищно-коммунальное хозяйство — с другой, привело к необходимости создания приборов и методов контроля состояния энергетического оборудования и ограждающих строительных конструкций.

Одним из наиболее объективных критериев состояния энергетического оборудования и ограждающих строительных конструкций является температура их поверхностей. Однако непосредственное (контактное) измерение температуры сопряжено с рядом трудностей: затруднительно измерить температуру электрического контакта без его отключения, измерение температурных полей на значительной площади требуют большого числа датчиков и т. д. Эти проблемы решаются при использовании приборов бесконтактного измерения температуры — например, тепловизоров или инфракрасных пирометров — причем «стоимость пирометра в 30−100 раз меньше стоимости тепловизора, а выполняет он 50−70% задач, решаемых с помощью тепловизора.» [1]. Инфракрасная техника в настоящее время является одним из бурно развивающихся разделов современной физики. Это связано с тем, что основная доля теплового излучения окружающих нас тел приходится на инфракрасный участок спектра.

Предлагаемые в данной работе приборы по принципу действия являются яркостными пирометрами с зеркальной оптической системой. Инфракрасные системы могут быть использованы для решения задач пассивного обнаружения дефектов и оптического измерения температур объектов:

— в электроэнергетике (периодический контроль теплового состояния линий электропередач, подстанций, трансформаторов, электродвигателей, генераторов — что позволяет предупреждать возможные аварии, вызываемые перегревом и обгоранием контактных соединений);

— в теплоэнергетике (контроль теплоизоляции и герметичности трубопроводов — что обеспечивает нахождение мест утечки.);

— в строительстве и ЖКХ (контроль качества теплоизоляции ограждающих конструкций, обнаружение дефектов уплотнений оконных проемов, стыков и т. д.- обнаружение трещин, мест инфильтрации воздуха, воды и т. д.);

— при техническом обслуживании предприятий (контроль электрических цепей подстанций, трансформаторов, рубильников, паровых кранов, труб и т. д.- контроль износа теплоизоляции холодильников, футеровки теплогенераторов, печейизмерение уровня жидкостей в закрытых резервуарах и т. д.);

— для неразрушающего контроля качества материалов и изделий (определение скрытых дефектов по аномалиям теплового поля);

— в экологии (обнаружение сверхнормативных выбросов нагретой воды).

Отличительная особенность приборов — высокая пороговая чувствительность, равная 0,1 К, что позволяет с большой надежностью производить обнаружение мест с локальной аномалией температуры.

Автором в натурных условиях был проведен ряд измерений с помощью представленных приборов.

Определены сопротивления теплопередаче панелей жилых домов серий 90 и 125[2].

Также был обследован котел ТВГ-8[3,4]. Целью исследования являлось определение технического состояния котельного агрегата: выявление дефектов обмуровки и футеровки, режима работы подовых горелок по методикам, изложенным в [5,6].

Кроме того, были обследованы котельные в микрорайонах г. Казани (Азино и Савиново), оснащенные котельными агрегатами ПТВМ-180 и КВГМ-180. Наряду с котлоагрегатами, обследовались газоходы и дымовые трубы.

Актуальность темы

.

Подтверждается следующими документами: Указ Президента Российской Федерации от 7 мая 1995 г. № 473 «Основные направления энергетической политики Российской Федерации на период до 2010 г." — Закон Российской Федерации «Об энергосбережении» № 28-ФЗ от 3 апреля 1996 г.- федеральная целевая программа «Энергосбережение России», принятая постановлением Правительства Российской Федерации от 24 января 1998 г. № 80.

Об этом свидетельствует:

— ужесточение требований к теплозащитным свойствам наружных ограждающих конструкций, нормируемых действующими строительным нормами и правилами [7,8];

— введение энергетических паспортов на здания и сооружения, регламентирующих проведение энергетических обследований и включающих контроль наружных ограждающих конструкций по сопротивлению теплопередаче (теплопроводности)^];

— введение стандартов, подготовленных Госстроем к 1999 году и направленных на применение в строительстве энергосберегающих конструкций и материалов.

Цель работы.

Повышение достоверности измерения температур бесконтактным методом на основе создания эффективных и в то же время относительно недорогих измерительных приборов.

Основная задача.

Разработка приборов и экспериментальных методов оперативного контроля путём измерения полей температур поверхностей наружных ограждающих конструкций зданий и сооружений и энергетического оборудования.

Частные задачи:

1. Разработка оптической схемы, позволяющей проводить измерения температуры на относительно небольших площадях с достаточно больших расстояний;

2. Разработка компактного ИК-пирометра, позволяющего проводить оперативный мониторинг;

3. Разработка ИК-пирометра, позволяющего определять цветовую температуру исследуемого объекта для повышения точности определения истинной температуры;

4. Повышение точности измерения температуры исследуемого объекта путем совершенствования электрической схемы пирометра и использования более совершенных систем модулирования измеряемого инфракрасного излучения;

5. Создание эффективной модели АЧТ для градуирования приборов-пирометров по энергии излучения и оценка погрешности измерений;

6. Разработка методов контроля качества обмуровки энергетических установок и теплотехнической эффективности строительных конструкций в лабораторных условиях и при натурных обследованиях.

Научная новизна работы.

1. Разработаны и созданы ИК-пирометры БИТ и БИТ-М, позволяющие со значительных расстояний измерять температуры относительно небольших участков, благодаря небольшому углу поля зрения;

2. Реализована оптическая схема, позволяющая визуализировать центр площадки, излучение которой фиксируется пирометром (БИТ-М). Использование в оптической схеме БИТ-М кассеты с набором ИК-фильтров позволяет оценивать цветовую температуру исследуемого объекта;

3. Предложена отличная от традиционных система модулирования измеряемого инфракрасного излучения, которая позволяет повысить точность измерений благодаря возможности изменения температуры модулятора и повышению точности её определения. Получен патент на полезную модель № 49 619 [10];

4. Разработана принципиальная электрическая схема ИК-пирометра, позволяющая изменять постоянную времени накопления сигнала, что позволяет снизить уровень шума на высоких коэффициентах усиления при измерении потоков излучения от слабонагретых тел или тел с малой излучательной способностью (БИТ-М).

Практическая ценность работы.

Созданы приборы — инфракрасные пирометры, позволяющие бесконтактным способом измерять температуру. Создана высокоэффективная модель АЧТ для градуировки ИК-пирометров по энергии излучения. Реализованы оптическая и принципиальная электрическая схемы компактного ИК-пирометра (БИТ). Анализ поля температур исследуемых объектов позволяет обнаруживать скрытые дефекты конструкции. Минимальный размер дефекта, определяемого БИТ, составляет 40×40 мм, для БИТ-М — круг диаметром 70 мм.

Реализация результатов работы.

Были произведены обследования энергетического оборудования районных котельных в Азино и Савиново и котельной, обслуживающей учебно-лабораторные корпуса и общежития казанского государственного архитектурно-строительного университета (имеется акт внедрения МУП «ПО «Казэнер-го»), а также работы по оценке теплотехнической эффективности жилых домов.

Степень достоверности и обоснованности научных положений.

Достоверность и обоснованность полученных результатов основана на использовании современных методов научного исследования и подтверждается экспериментами, физической обоснованностью применяемых допущений, сопоставлением с известными, опубликованными в научной литературе исследованиями, выполненными другими авторами.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы обсуждались на седьмой Всесоюзной конференции по радиационному теплообмену «Теория и практика комплексной оптимизации радиационного теплообмена и горения при сжигании органических топлив в энергетике и промышленности. Проблемы экологии, надежности и энергосбережения», Ташкент, 21−23 октября 1991, научно-технической конференции «Минеральная часть топлива, шлакование, загрязнение и очистка котлов», Челябинск, 15−17 сентября 1992, 7-м научно-техническом семинаре «Внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика, диагностика», Казань, 24−25 мая 1995, «Десятой международной научно-технической конференции по компрессорной технике», Казань, 1995, научно-технической конференции по итогам научных исследований и внедрения их в производство, посвященной 50-летию Казанской государственной архитектурно-строительной академии «Строительство и архитектура», Казань, 1996, V Школе-семинаре молодых ученых и специалистов академика РАН В. Е. Алемасова. КазНЦ РАН, Казань, Россия, 3−9 сентября 2006 и были опубликованы в ряде публикаций, в том числе в трёх статьях журнала «Проблемы энергетики».

Структура и содержание работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных литературных источников из 96 наименований и приложений. Она изложена на 149 страницах, содержит 36 рисунков и 7 таблиц.

Выводы:

1. На основе требований ГОСТ 26 254–84 «Здания и сооружения. Методы определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций» и ГОСТ 26 629–85 «Здания и сооружения. Метод тепловизионного контроля теплоизоляции ограждающих конструкций» создана установка для определения сопротивления теплопередаче в лабораторных условиях;

2. На основе требований ГОСТ 26 254–84 «Здания и сооружения. Методы определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций» и.

ГОСТ 26 629–85 «Здания и сооружения. Метод тепловизионного контроля теплоизоляции ограждающих конструкций» разработан метод контроля теплотехнической эффективности строительных конструкций в лабораторных условиях и при натурных обследованиях;

3. Определено сопротивление теплопередаче в лабораторных условиях панелей Н-29Т с дискретными связями в виде железобетонных шпонок серии 83НЧ;

4. В натурных условиях произведена оценка теплотехнической эффективности панельных домов серий 90 и 125.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В работе обоснованы актуальность создания эффективных ИК-пирометров на основе пироэлектрических приемников и выбор их спектрального диапазона.

Созданы приборы — компактный БИТ и БИТ-М, в оптическую схему которого включена кассета с набором ИК-фильтров, что позволяет измерять цветовую температуру. В электрической схеме БИТ-М предусмотрена возможность изменения постоянной времени накопления сигнала, что позволило повысить чувствительность и снизить уровень шумов при обследовании слабонагретых объектов или объектов с низкой излучательной способностью. В процессе работы над оптическими схемами пирометров предложена новая система модуляции, получен патент на полезную модель.

Для градуировки приборов по энергии излучения созданы модели АЧТ с высокой степенью соответствия.

Разработаны методы обследования теплоэнергетического оборудования и диагностики теплотехнической эффективности строительных конструкций в лабораторных и натурных условиях.

Обследовано энергетическое оборудование трех котельных — в Азино, Савиново и котельной, обслуживающей учебно-лабораторные корпуса и общежития КГ АСУ. Обследования в Азино и Савиново не выявили серьезных нарушений в работе оборудования. На левой поверхности одного из котлов котельной КГАСУ обнаружена температурная аномалия — на фоне температур 55−65°С четко прослеживается полоса с темперами 37−47 °С. Детальное обследование выявило в этом месте сквозную трещину обмуровки через которую воздух из помещения котельной подсасывался в топку, что и вызвало местное охлаждение обмуровки. Этот факт подтверждает эффективность приборов.

В лабораторных условиях, с использованием специально изготовленной климатической камеры, определено сопротивление теплопередаче трехслойной панели на дискретных связях.

В натурных условиях произведена оценка теплотехнической эффективности ограждающих конструкций жилых домов серий 90 и 125.

Возможности представленных приборов не ограничиваются приведенными в работе результатами. Очевидно, эффективным было бы использование приборов в промышленности, электроэнергетике, экологии и других областях.