X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Термография – способ измерение температуры посредством тепловизора, является пассивным, бесконтактным методом измерения. Излучение, регистрируемое тепловизором, состоит из излучаемого ε, отраженного ρ и проходящего τ длинноволнового инфракрасного излучения, исходящего от объектов, расположенных в пределах поля зрения тепловизора (рис. 1).

Рисунок 1 – Схема излучения, регистрируемого тепловизором

Коэффициент излучения ε это степень способности материала излучать (выделять) инфракрасное излучение, изменяется в зависимости от свойств поверхности, материала, и температуры измеряемого объекта. Максимальная излучательная способность: ε = 1 (100%) в действительности не встречается, так как тела также отражают и пропускают излучение. Многие неметаллические материалы обладают высокой излучательной способностью в длинноволновом инфракрасном диапазоне, которая не зависит от температуры. Металлы, особенно материалы с блестящей поверхностью, обладают низкой излучательной способностью, которая может меняться в зависимости от температуры. При измерениях коэффициент излучения ε считается известным и устанавливается в тепловизоре.

Коэффициент отражения ρ - степень способности материала отражать инфракрасное излучение, зависит от свойств поверхности, температуры и типа материала. Как правило, гладкие, полированные поверхности имеют большую отражательную способность, чем шероховатые, матовые поверхности, изготовленные из одного и того же материала. Компенсация отраженной температуры также настраивается в тепловизоре (КОТ). Во многих областях применениях отраженная температура соответствует температуре окружающей среды, которая известна.

Коэффициент пропускания τ - степень способности материала пропускать инфракрасное излучение, зависит от типа и толщины материала. Большинство материалов являются материалами не пропускающего типа, т.е. устойчивыми к длинноволновому инфракрасному излучению, поэтому сумма компонентов имеет вид

ε + ρ =1.

При измерении температуры с помощью тепловизора цвет материала не оказывает значительного влияния на длинноволновое инфракрасное излучение, излучаемое измеряемым объектом. Темные поверхности воспринимают больше коротковолнового инфракрасного излучения, чем светлые поверхности, и, как следствие, быстрее нагреваются. Однако, излучаемое инфракрасное излучение зависит от температуры, а не от цвета поверхности измеряемого объекта.

Свойства поверхности измеряемого объекта играют решающую роль при измерении температуры с помощью тепловизора, коэффициент излучения меняется в зависимости от структуры поверхности, загрязнения и покрытия. Гладкие, блестящие, отражающие и/или отполированные поверхности, в основном, обладают более низким коэффициентом излучения, чем матовые, структурные, шероховатые, подвергшиеся атмосферным воздействиям и/или исцарапанные поверхности одного и того же материала. При работе с чрезмерно гладкими поверхностями возникает зеркальное отражение. Пыль, сажа или масло повышают коэффициент излучения поверхности, при этом тепловизор измеряет температуру загрязнения, а не температуру поверхности.

Для расчёта теплового излучения принимается модель абсолютно чёрного тела (АЧТ), тепловое излучение которого описывается законом Стефана — Больцмана, излучение реальных тел подчиняется закону излучения Кирхгофа.

АЧТ поглощает все падающее на него излучение любых длин волн. Тепловое излучение генерируется в процессе простого гармонического колебания линейных атомных осцилляторов не непрерывным образом, а дискретными квантами, энергия Е которых является функцией частоты излучения v

Е = hv,

где h — постоянная Планка.

Интенсивность излучения абсолютно чёрного тела в зависимости от температуры и частоты определяется законом Планка

, (1)

где I(v)dv — мощность излучения на единицу площади излучающей поверхности в диапазоне частот от v до v + dv ;v – частота излучения; T – температура излучающего тела; h – постоянная Планка, равная h= 6,6256·10^-34 Вт·с²; c – скорость света в вакууме, равная с=2,9979·1010 см/с, k – постоянная Больцмана, равная k= 1,38054·10^-23 (Вт·с)/К).

Это выражение эквивалентно условию

, (2)

где u(λ)dλ или Wλ(T, λ) – мощность излучения на единицу площади излучающей поверхности в диапазоне длин волн от λ до λ + dλ, равная

(3)

Используя уравнение Планка (1) получен закон смещения Вина

, (4)

где u_ν— плотность энергии излучения; ν — частота излучения; T — температура излучающего тела; C₁, C₂— константы.

Спектральная плотность излучения АЧТ или полный поток излучения АЧТ быстро возрастает с ростом температуры, максимальное значение с увеличением температуры сдвигается в сторону более коротких волн.

Густав Кирхгоф доказал, что отношение испускательной и спектрального коэффициента поглощения тела не зависит от его природы, а является для всех тел одной и той же (универсальной) функцией частоты и температуры.

Закона Стефана–Больцмана устанавливает, что энергетическая светимость АЧТ пропорциональна четвертой степени температуры

R_АЧТ = σТ⁴ , (5)

где σ – экспериментально найденная константа, равная σ = 5,670·10^-8 Вт/(м²·К).

Чтобы сравнивать интегральные величины излучения чёрного тела и объекта излучателя, введено понятие радиационной температуры – температуры чёрного тела, имеющего такую же суммарную, по всему спектру энергетическую светимость, что и данный селективный излучатель.

Тепловизор измеряет и регистрирует пространственно-временное распределение радиационной температуры объектов путем формирования временной последовательности термограмм - многоэлементных двумерных изображений, каждому элементу которого приписывается цвет, или градация одного цвета. Затем определяются температуры поверхности объекта по известным коэффициентам излучения и параметрам съемки - температура окружающей среды – температуры внутреннего t_в и наружного t_н воздуха, пропускание атмосферы, дистанция наблюдения и т.п., для чего используется эталонный излучатель – модель АЧТ, удовлетворяющий требованиям [1, 2], угловые размеры которого в 10 и более раз превышают элементарное поле зрения тепловизора.

Все значения температур предварительно корректируют с учетом излучательной способности объекта по формуле

Т_фак = Т_рад /ε^1/4, (6)

где Т_фак – фактическая температура; Т_рад - измеренная тепловизором температура; ε – коэффициент излучения материала.

На поверхности объекта устанавливается преобразователь теплового потока – "вспомогательная стенка" – пластина, плотно прижимают по всей поверхности, в которой расположены батареи термопар параллельно тепловому потоку, соединенные последовательно по генерируемому сигналу (рис. 2).

Рисунок 2 – Схема измерения плотности теплового потока:

1 – ограждающая конструкция, 2 – преобразователь теплового потока 3 – измеритель ЭДС; τ_н - температура наружной поверхности; τ_в, – температура внутренней поверхностей ограждающей поверхности конструкции вблизи и под преобразователем соответственно; R₁ R₂ – термическое сопротивление поверхности и преобразователя теплового потока

При интерпретации термограмм, получаемых в термографии, необходимо учитывать условия наблюдения объектов и зависимости коэффициентов собственного излучения объектов и коэффициентов отражения от объектов собственного излучения фона. Преобразователь должен удовлетворять следующим требованиям: материал преобразователя должен сохранять свои физико-механические свойства при температуре окружающего воздуха от минус 30 до плюс 50°С, не должен смачиваться и увлажняться водой в жидкой и парообразной фазах; отношение диаметра преобразователя к его толщине должно быть не менее 10; преобразователь должен быть отградуирован в соответствии с ГОСТ. Преобразователь должен иметь охранную зону, расположенную вокруг батареи термопар, линейный размер которой должен быть не менее 30% радиуса или половины линейного размера преобразователя.

При измерении температурный перепад преобразуется в ЭДС. Плотность теплового потока рассчитывается по результатам измерения ЭДС на предварительно отградуированных преобразователях теплового потока

q = c · E, (7)

где с - градуировочный коэффициент преобразователя при температуре испытаний, Вт/(м² х мВ); Е - значение ЭДС, мВ. За среднюю температуру испытаний принимают температуру τ_в' поверхности ограждающей конструкции под преобразователем.

Значение плотности теплового потока q' Вт/м², при измерениях с использованием преобрахователя вычисляют по формуле

(8)

где t_н - температура наружного воздуха напротив преобразователя, К (°С);

τ_ви τ_в' - температура поверхности на участке измерения вблизи преобразователя и под преобразователем соответственно, К (°С).

В исследованиях предлагается применение тепловизионной диагностики для оценки изменения температуры у поверхности ребра и температурного перепада в теплообменнике, полученных при имитации работы системы охлаждения в различных условиях эксплуатации двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Методика оценки параметров теплопереноса системы охлаждения ДВС состоит из трех этапов [3, 4]:

- определение тепловых характеристик теплообменников (ТО),

- определение характеристик нестационарных процессов теплообмена при взаимодействии газовых потоков с поверхностью теплообмена,

- определение аэродинамических сопротивлений ТО.

На первом этапе определяются параметры процесса теплопереноса как функции тепловых сопротивлений СО. Для этого определяется тепловой поток, коэффициенты теплопередачи, теплоотдачи; температурное поля поверхности ТО с использованием тепловизора.

На втором этапе оценивается нестационарный процесс теплоотдачи. Определяются скорости воздушного потока перед ТО, которые обеспечивают заданный температурный запас СО.

На третьем этапе определяется коэффициент расхода для СО.

Разработанная методика комплексной оценки тепломассопереноса системы охлаждения ДВС позволяет определить правильный баланс подачи охлаждающего воздуха и выделения теплоты в условиях эксплуатации двигателя, в том числе на неустановившихся режимах работы двигателя.

Список использованных источников

1 РД-153-34.0 Методика инфракрасной диагностики тепломеханического оборудования

2 ГОСТ Р 8.566 Здания и сооружения. Метод измерения плотности тепловых потоков, проходящих через ограждающие конструкции

3 Салова Т.Ю., Кудласевич А.А. Метод оценки тепломассообменных процессов энергетических установок //Словацкий международный научный журнал. - Bratislava . – Словакия, 2016. - №1. - с.64-67

4 Салова Т.Ю., Усачев Н.А. Некоторые результаты стендовых исследований параметров работы дизеля при имитации неустановившихся режимов работы автомобиля //Сб. матер. IV Международной научно-практической конференции «Инновационные технологии в сервисе», СПб.: СПбГЭУ, 2015. - с.218-220.

Код для цитирования: Скопировать