Wstęp

Znane porzekadło głosi, że najciemniej jest pod latarnią. Faktycznie! Przez dłuższy czas nie mogłem znaleźć tematu do kolejnego felietonu. Jak zwykle, chciałem Czytelnikom przedstawić coś ciekawego, związanego z komputerami i nie wymagającego akademickich wywodów. I wtedy pomyślałem o mojej pracy zawodowej. Przecież do sprawdzenia jakości wykonanych termomodernizacji używaliśmy w firmie kamery termowizyjnej! No to temat już miałem. Wprawdzie felieton nie zapowiadał się na obszerny, ale czy zawsze musi taki być? Przypomniał mi się jedynie pewien komentarz, który pojawił się po felietonie Holografia (cytuję): "Ja nawet tego czytać nie będę bo co to ma związanego z kompami tak samo jak ta paprotka dla mnie kupa." Daruję sobie komentarz do komentarza. Przecież nie ma przymusu poszerzania zakresu swoich wiadomości! Ani obowiązku wyrażania pochlebnych opinii o moich felietonach! Ale zapewniam, że termowizja ma sporo wspólnego z komputerami. Jeszcze jedno: thermos po grecku znaczy ciepło(y), co wyznacza myśl przewodnią felietonu. A teraz do rzeczy.

Termowizja - co to takiego?

Czy termowizja (ang. thermovision) to specjalny rodzaj telewizji?! Właściwie można tak powiedzieć. Tyle tylko, że kamera termowizyjna zamiast transmisji sportowych, gadających głów (pseudo)polityków bądź podrygujących i nieco roznegliżowanych panienek, rejestruje ciepło emitowane przez obiekty będące w jej polu widzenia. A dokładniej - emisję promieniowania podczerwonego. Już słyszę "...ale przecież ciepła nie widać!" Cóż - wiatru też nie! Lecz stosując odpowiednie techniki można zobaczyć i jedno, i drugie.

Jak to działa?

Bez kilku (aż dwóch!) wzorów się nie obędzie, ale zawsze staram się ograniczać ich ilość i nie zagłębiać w szczegóły. U podstaw działania termowizji leży prawo Stefana-Boltzmanna, które mówi że całkowita energia wypromieniowywana przez ciało doskonale czarne jest proporcjonalna do czwartej potęgi jego temperatury. Opisuje je prosty wzór: E0 = c0*T4 , gdzie: E0 - energia, c0 - stała Stefana-Boltzmanna 5,67*10-8 (W/m-2*°K-4) , T - temperatura. Ponieważ nie ma rzeczy doskonałych, w praktyce stosuje się pojęcie ciała szarego. Jak łatwo się domyślić, emituje (lub absorbuje) ono mniej energii niż ciało doskonale czarne. O ile mniej - zależy od współczynnika emisyjności (absorpcji), danej powierzchni, który z kolei jest funkcją składu chemicznego oraz stanu tejże powierzchni. Tak więc współczynnik c0 zastępujemy współczynnikiem c = ß * c0, gdzie ß - współczynnik emisyjności (absorpcji). Przykładowe jego wartość wynoszą:

Blacha stalowa ocynkowana 0.23
Beton 0.62
Drewno świerkowe 0.77
Tynk wapienny 0.91
Szkło okienne 0.94

Jest oczywiste, że dla ciała doskonale czarnego ß = 1. Dla pełnej jasności wypada jeszcze dodać, że praktycznie biorąc, do temperatur rzędu 650 °C kolor powierzchni nie ma zauważalnego wpływu na emisję energii. Zwracam uwagę na słowo "całkowita" w prawie Stefana-Boltzmanna oraz ograniczenie do 650 °C. Jest to istotne z uwagi na fakt, że większość ciał (np. żelazo) po podniesieniu ich temperatury powyżej 650 °C zaczyna emitować promieniowanie widzialne, które musi być uwzględniane w bilansie energii. Natomiast poniżej tej temperatury, w praktyce cała energia wypromieniowana przez ciało zawarta jest w niewidzialnej gołym okiem podczerwonej części widma promieniowania. Myślę, że warto czasami przypomnieć sobie prawdy oczywiste - widmo światła słonecznego (białego), z uwzględnieniem głębokiej podczerwieni i nadfioletu, obejmuje fale o długościach od 10-2 do 10-8 m. Nas właśnie interesują fale najdłuższe, czyli podczerwień.

Ludzie wymyślili i wyprodukowali detektory promieniowania podczerwonego. Mają one różną konstrukcję, (zasadę działania) czułość i zastosowanie. Nie będę zbytnio nad tym się rozwodził, ale podstawowe informacje warto znać. Detektory promieniowania elektromagnetycznego możemy podzielić na dwie podstawowe grupy: detektory fotonowe i detektory termiczne. W detektorach fotonowych padające promieniowanie jest absorbowane na skutek oddziaływania fotonów z elektronami. Sygnał detektora jest wywołany zmianą rozkładu energii nośników. Detektory fotonowe wykazują selektywną zależność czułości od długości fali padającego promieniowania i w porównaniu z detektorami termicznymi charakteryzują się wyższymi wykrywalnościami i większymi szybkościami odpowiedzi. Detektory o długofalowej granicy czułości powyżej 3 ľm są zwykle chłodzone do temperatury poniżej 300 °K w celu zmniejszenia termicznych procesów wzbudzania nośników. Z kolei detektory termiczne dzielą się na piroelektryczne oraz bolometry. W detektorach termicznych padające promieniowanie jest absorbowane w materiale, co powoduje podniesienie temperatury elementu fotoczułego. Sygnał wyjściowy detektora jest wywołany zmianą pewnej właściwości materiału, zależnej od temperatury. W przypadku detektorów piroelektrycznych jest to zmiana wewnętrznej polaryzacji elektrycznej, zaś w bolometrach jest to zmiana rezystancji. Generalnie czułość widmowa detektorów termicznych jest niezależna od długości fali i w większości przypadków detektory termiczne pracują w temperaturze pokojowej. Szybkość detektorów termicznych jest mała i wynosi 10-3 - 10-1 s. Jednak okazało się, że bardzo dobrą jakość obrazu termalnego można osiągnąć stosując duże matryce detektorów termicznych, zaś ich szybkość jest wystarczająca w przypadku skanowania elektronicznego z szybkością ramki TV. Fakt ten spowodował szybki rozwój tańszych kamer termowizyjnych o osiągach zbliżonych do kamer z matrycami detektorów fotonowych chłodzonych kriogenicznie (zwykle do temperatury 77 °K). Może to wydać się szokujące, ale bolometr został wynaleziony już w 1878 roku przez amerykańskiego astronoma S. Langleya. Dla zobrazowania możliwości technicznych w tej dziedzinie wspomnę jedynie o teleskopie Hubble, który dostarcza niewiarygodnych wprost obrazów Kosmosu widzianego w podczerwieni, oraz wojskowych satelitach szpiegowskich, dla których wykrycie z orbity zapalanej zapałki lub tlącego się papierosa to drobiazg. Warto też uświadomić sobie że każde ciało, którego temperatura jest większa od zera bezwzględnego, jest źródłem promieniowania podczerwonego! Wróćmy jednak na Ziemię. Termowizja polega więc na rejestrowaniu przez specjalną kamerę podczerwonej części widma emitowanego przez ciało, które następnie jest przetwarzane na kolorową mapę temperatur. Innymi słowy system termowizyjny jest niczym innym niż dość niezwykłym termometrem. Niezwykłym, bo umożliwia pomiar temperatury na odległość i jednocześnie w wielu miejscach. Należy jedynie pamiętać, że bezpośrednie porównywanie temperatur na termogramie (kolorowym obrazie rozkładu temperatur) jest możliwe tylko dla tych samych materiałów. Jeżeli są one różne, to temperatury należy przeliczyć. Mając w pamięci współczynnik korekcyjny ß dla ciał szarych, konieczność wykonania tej czynności jest chyba bezdyskusyjna. I jeszcze uwaga praktyczna. Jasne kolory (biały, żółty, czerwony) na ekranie kamery termowizyjnej oznaczają wysoką temperaturę, a kolory ciemne - niską.

I po co nam to wszystko?

Praktycznych zastosowań termowizji jest mnóstwo. Poza spektakularnymi zastosowaniami w badaniach Kosmosu oraz w wojskowości, jest wiele innych dziedzin, w których termowizja jest albo niezastąpiona, albo bardzo ułatwia nam życie. Dzieje się tak głównie z jednego powodu: jest to metoda nieinwazyjna, na dodatek umożliwiająca zdalny pomiar. Co pomoże nam wykryć termowizja? Jest tego sporo: wady technologiczne budynków (błędy budowlane i w dociepleniu), lokalizacja rur z ciepłą wodą oraz wszelkiego rodzaju wycieki z instalacji, grzejące się nadmiernie miejsca w rozdzielniach wysokiego napięcia (zbyt duża oporność styków), wadliwą izolację cieplną w kotłowniach (przeprowadza się diagnostykę przed i po remoncie), wadliwie pracujące urządzenia mechaniczne (nadmierne nagrzewanie się), źródła wewnętrznych samozapłonów hałd węgla, miejsca potencjalnych ognisk pożaru w lesie, niektóre choroby.

Termogram trzeba umieć odczytać. Oto typowy przykład termogramu elewacji bloku mieszkalnego, wraz z interpretacją, przedstawiający widok elewacji od strony wejść do budynków. ściany klatki schodowej charakteryzują się niższą temperaturą (ok. 0 °C) co wynika z niższych temperatur wewnętrznych na klatce schodowej. Pozostałe ściany posiadają temperaturę pomiędzy 0,6 a 2,8 ° C. Niektóre okna na klatkach schodowych wykazują wysoka temperaturę powierzchni: w lewej części nad parterem temp. 10,4 °C, nad II piętrem 8,3 °C, w części prawej nad parterem 8,0 °C. Należałoby sprawdzić czy w wymienionych oknach jest podwójne oszklenie. Okna w mieszkaniach: temperatury wynoszą: 6,2; 4,7; 5,4 i 3,9 °C. W piwnicach występują dwa pomieszczenia o zdecydowanie wyższej temperaturze przegród; w części lewej 4,1 °C, w części prawej 5,0 °C.

Grzejący się bezpiecznik.

Grzejący się obrotowy styk odłącznika WN3.

Luźna śruba mocująca kabel do gniazda bezpiecznikowego.

Przeciążona faza.

Termowizja znajduje również zastosowanie w badaniach ekologicznych, elektronice, kontroli jakości, oraz ratownictwie. Przyda się też wszędzie tam, gdzie istotny jest rozkład temperatury na interesującej nas powierzchni. Chyba wystarczy, aby uznać, że to pożyteczna technologia?

Termomodernizacja

Ze względu na zboczenie zawodowe nieco szerzej omówię zagadnienie termomodernizacji. Obecnie w Polsce coraz więcej ludzi (i firm) uświadamia sobie, że spora część ich funduszy pochłaniana jest przez opłaty za zużywaną energię cieplną. Są dwie możliwości zmniejszenia kosztów: zużywać mniej energii lub musi być ona tańsza. Ale mniej energii to niższa temperatura. A kto lubi marznąć zimą? Trzeba więc tak zmodernizować obiekt budowlany (domek, blok mieszkalny, szkołę, halę przemysłową itd.) aby zmniejszyć ilość traconego w nim ciepła. Oczywiście w najlepszej sytuacji są ludzie zamożni, którzy już w fazie projektowej mogą żądać od projektanta, aby ich przyszły dom był energooszczędny. Oszczędzanie energii to bardzo obszerna dziedzina wiedzy, której najważniejszą zasadą jest kumulowanie zysków energetycznych, dających w rezultacie znaczne oszczędności. Niestety, zasada ta nie toleruje rozwiązań połowicznych. Albo projekt i wykonawstwo uwzględni wszystkie możliwości oszczędzania, albo osiągnięte zyski zostaną zmarnotrawione przez nie przemyślane w skutkach "oszczędności". Czy mieszkańcy osiedli wybudowanych z wielkiej płyty są więc bez szans? Nic podobnego! Ale sporo zależy tu od inicjatywy obywateli i prężności zarządów spółdzielni mieszkaniowych. Ocieplenie budynków (czyli zwiększenie ich izolacyjności cieplnej) w połączeniu z zastosowaniem zaworów termostatycznych wyposażonych w głowice termoregulacyjne na instalacji c.o. oraz wymianą okien na posiadające mniejszy współczynnik strat cieplnych (dla porównania - szkło używane w oknach z lat 70 posiada współczynnik "k" na poziomie 4-5, gdy obecnie normą jest wartość 1,1) oraz bardziej szczelnych (ale z mikrowentylacją), daje doskonałe rezultaty. To nie jest proces tani ani szybki, jednak możliwy do zrealizowania w rozsądnym czasie i za rozsądne pieniądze. Innym typowym przykładem jest budownictwo szkolne. Budynki szkolne z definicji są bardzo przeszklone. Już sama wymiana okien na termooszczędne daje odczuwalne rezultaty, które oczywiście w miarę zasobności gminy wspierane są ociepleniem ścian, stropów oraz modernizacją instalacji c.o. A co ma z tym wszystkim wspólnego termowizja? Bardzo dużo. Przed termomodernizacją obiektu wykonuje się jego dokumentację termiczną, nawet uproszczoną. Wskazuje ona miejsca, na które należy zwrócić szczególną uwagę podczas wykonywania robót ociepleniowych, lub wprost ujawnia elementy, które bezwzględnie muszą być ocieplone. Drugi raz sprawdzamy obiekt po wykonaniu prac. Wtedy jak na dłoni widać co i gdzie uległo zmianie. Drugą zmianę zauważamy już w portfelu. Nie chcę zanudzać Czytelników, więc pominę szersze omawianie drugiej możliwości, czyli używania tańszej energii. Niestety, tutaj mieszkańcy osiedli nie mają szans. Ale budujący dom - jak najbardziej. Tylko hasłowo wymienię możliwości użycia "taniej" energii: wiatrowej, wodnej, geotermalnej, słonecznej. A wszystko to wspierane pompami i kolektorami cieplnymi oraz wysokowydajnymi kotłami, w których można palić niemal wszystkim. Jednak aby oszczędzać (i to niemało), najpierw trzeba zainwestować. Stąd cudzysłów! Co po raz kolejny potwierdza tezę, że lepiej być młodym, pięknym i bogatym niż starym, brzydkim i biednym.

źródło:  www.dzikie.net by URAN