Способ теплового контроля сопротивления теплопередачи многослойной конструкции в нестационарных условиях теплопередачи
METHOD OF THERMAL CONTROL OF HERMAL TRANSMISSION RESISTANCE OF MULTILAYERED STRUCTURE IN UNSTEADY CONDITIONS OF HEAT TRANSMISSION

Изобретение относится к области измерительной технике, в частности к тепловому неразрушающему контролю объектов, и может быть использовано для технической диагностики качества неоднородных конструкций, например, зданий и сооружений по сопротивлению теплопроводности в условиях нестационарных внешних воздействий, в т.ч. при больших изменениях параметров внешних условий.
Из уровня техники известны способы теплового неразрушающего контроля неоднородных многослойных объектов, какими в частности, являются здания и сооружения, см. патент РФ №2219534.
Для осуществления известного способа определяют временной интервал, необходимый для получения достоверного результата. В течение этого времени периодически измеряют температуру и плотность теплового потока на наружной и внутренней поверхностях объекта. Задают значение теплопроводности нужного слоя. Используя модель, определяют возможную температуру и плотность для каждого заданного значения теплопроводности. Проводят тепловизионное обследование, измеряют температуры внутренних и наружных поверхностей. Сравнивают теоретические и полученные измерением результаты. Выбирают для дальнейших расчетов значение теплопроводности из числа заданных, которое может обеспечить условия сравнения. Способ позволяет определить локальные сопротивления теплопередаче обследуемых участков и найти более рациональное решение по обеспечению требуемого сопротивления, если оно окажется не соответствующим нормативному.
Однако известный способ используется только при постоянных (стационарных) характеристиках внешних воздействий (температура, скорость ветра, случайный человеческий фактор) и не применим для исследования нестационарных процессов, имеющих место в реальных условиях эксплуатации зданий и сооружений.
В Российской Федерации на практике используется способ определения качества объектов по анализу их сопротивления теплопередаче - см. ГОСТ 26254-84. Здания и сооружения. Методы определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций. Введен постановлением Государственного комитета СССР по делам строительства от 2 августа 1984 года №127, УДК 624.01.001.006.354.
Описанный здесь способ заключается в создании теплового потока через контролируемый объект, одномоментном измерении величины теплового потока (q) и температуры (Тн, Тв) на противоположных сторонах контролируемого объекта и определении качества объекта по его сопротивлению теплопередаче в соответствии с формулой
Данный метод контроля прост, нагляден, имеет большую производительность. Однако имеет недостаток, который ограничивает область его применения и значительно снижает точность получаемых результатов.
Он заключается в том, что в соответствии с классическим определением сопротивления теплопередаче, метод применим только при условии стационарного процесса теплопередачи через контролируемый объект. Т.е. только при условии равенства потоков, входящих в объект на одной поверхности qн и выходящих qв из объекта на другой поверхности: qн=qв=q.
На практике эти условия практически никогда не соблюдаются. Например, при контроле строительных конструкций, разница температуры наружного воздуха в ночное и дневное время достигает 10-15 град.С. Это вызывает нестационарные процессы теплопередачи в исследуемых конструкциях и делает метод неприменимым.
Решение этой проблемы предложено в монографии Будадин О.Н. и др., Тепловой неразрушающий контроль изделий, М., Наука, 2002, с. 139-145. Оно заключается в решении обратной задачи нестационарной теплопроводности в многослойной среде. Метод универсален и в настоящее время находит широкое применение на практике. Однако широкое его применение сдерживается рядом недостатков, которые заключаются в следующем:
- имеется существенная нелинейная зависимость точности получаемых результатов от погрешности входных данных - результатов первичных измерений. Это приводит к необходимости обеспечивать малые значения погрешности результатов первичных измерений, что требует применение специальных измерительных приборов, квалифицированных операторов и т.п. Помимо этого, требуется соблюдение специальных климатических условий при проведении измерений.
- наличие ошибки входных данных может привести к случаю, когда обратная задача не сходится, т.е. будет отсутствовать решение.
- решением обратной задачи, как правило, является не само сопротивление теплопередаче, а величина теплопроводности одного из слоев, обычно слоя с наименьшим сопротивлением теплопередаче - теплоизоляционного слоя,
- в результате решения обратной задачи в силу специфических особенностей математического аппарата и физических принципов получаются кроме основного решения (глобального минимума функции «невязки») несколько локальных минимумов (ложных решений). Это приводит к необходимости выбора нужного «истинного» решения на основе других дополнительных входных данных и др.,
- перед применением метода обратной задачи необходимо провести цикл трудоемких исследований корректности, единственности, сходимости и устойчивости решения.
Известен способ теплового контроля сопротивления теплопередаче многослойной конструкции в нестационарных условиях теплопередачи по патенту №2420730, принятый в качестве прототипа.
Данный способ теплового контроля сопротивления теплопередаче многослойной конструкции в нестационарных условиях теплопередачи включает следующие операции:
ин
1. Перед тепловизионным обследованием конструкции определяют время тепловой инерции (Δτ) и дискретность разрешения тепловизора, исходя из минимального дефекта,
2. тепловизионное обследование проводят путем измерения температурного поля Т(x, y) поверхности с пространственным периодом Δа, определяемым размерами минимального дефекта конструкции:
дmin
дmax
где Δx, Δx - геометрические размеры минимального дефекта контролируемой конструкции,
н
i
в
i
0
0
тн
хв
1.3. измеряют значения температуры T(t), T(t) на противоположных сторонах конструкции в области с координатами контура L(x, y) вблизи точки с координатами x, y, с временными интервалами τ и τ, соответственно, в течение интервалов времени:
из
из
из
ин
ин
из
нар
вн
а. на наружной поверхности Δτ=(0.... τ), на внутренней поверхности Δτ=(Δτ .... (Δτ+τ));
в
i
q
из
ин
ин
из
вн
4. измеряют значения теплового потока на внутренней стороне конструкции q(t) с временным интервалом τ в последовательно во времени в течение интервала времени Δτ=(Δτ .... (Δτ+τ));
н
i
в
i
в
j
5. накапливают по каждому измерению значения температуры T(t), T(t) на противоположных сторонах конструкции и значения теплового потока q(t),
0
0
6. определяют сопротивление теплопередаче R многослойной конструкции в точке контролируемого участка поверхности исследуемого объекта с координатами х, y:
1
из
тв
вн
где N = (целое число) от Δτ/τ,
2
из
тн
N = (целое число) от τ/τ,
3
из
ч
вн
N = (целое число) от Δτ/τ,
i, j, k - индексы суммирования,
7. определяют термическое сопротивление по всей поверхности исследуемого объекта в произвольных координатах x, y:
а
R(x, y)= Т(x, y)+b,
где
а
01
01
02
02
01
01
02
02
01
01
=[R(x, y)-R(x, y)]/[T(x, y)-T(x, y)]=R(x, y)]
дmin
дmin
8. Геометрические размеры минимального дефекта контролируемой конструкции Δx, Δy измеряют следующим образом:
- производят послойную препарацию образцов контролируемой конструкции,
дi
дi
- измеряют размеры всех дефектов, содержащихся в образце, выявленных в результате препарации: Δx, Δy,
дmin
дmin
- определяют размеры минимального дефекта контролируемой конструкции Δx, Δy, решая систему уравнений:
где
дi
дi
дmin
дmin
δ - вероятность того, что (Δx, Δy)≥(Δx, Δy)
i
дi
дi
p(ΔX) - функция распределения величин Δх, Δy.
9. Координаты контура на поверхности контролируемого объекта определяют следующим образом:
- измеряют разброс температурного поля по различным участкам исследуемой поверхности по результатам тепловизионного обследования с точностью, определяемой величиной изменения температуры ΔТдеф, обусловленной минимальным дефектом конструкции,
- по результатам проведенных измерений определяют те участки поверхности L(x, y), в области которых выполняется условие:
где
L(x, y) - контур области,
(x, y) - координаты контура области,
Тмах - наибольшая температура внутри области L(x, y),
Tmin - наименьшая температура внутри области L(x, y),
ΔТдеф - изменение температуры поверхности, обусловленной минимальным дефектом,
Dуч - размер участка L(x, y) по исследуемой поверхности,
Нконстр - толщина исследуемой конструкции,
1
2
n
Нконстр=Н+Н+…+Н,
n - количество слоев конструкции.
из
из
0
0
ин
нар
вн
10. Временные интервалы Δτ и Δτ проведения измерений температуры и теплового потока в области определенных участков L(x, y) в точке с координатами х, y определяют на основе измерения времени тепловоз инерции (Δτ) исследуемой конструкции, измеряя время прохождения теплового импульса между поверхностями конструкции.
тн
тв
q
11. Оптимальный интервал последовательного измерения температурь τ, τ и теплового потока τ на исследуемой конструкции определяют путей решения уравнения
f(T) - плотность распределения длительности во времени информационного сигнала,
τ - временной интервал измерения,
Р - вероятность пропуска информационного сигнала
0
Т - временная разрешающая способность измерительных датчиков,
η - текущая переменная.
12. Температурные поля и тепловой поток измеряют измерителем температуры самопишущим, или электронным измерителем плотности тепловых потоков пятиканальным или тепловым зондом.
0
0
13. Координаты x, y определяют путем решения системы уравнений:
14. Проводят тепловизионное обследование наружной поверхности исследуемого объекта.
15. Время прохождения теплового импульса между поверхностями конструкции определяют путем расчетов, исходя из теплотехнических характеристик материалов слоев конструкции, по формуле
n
где k - определяется из решения уравнения ,
Fo - критериальное число Фурье;
y - безразмерная координата пластины;
Bi - критерий Био,
n - индекс суммирования.
Определение чисел Bi - критерий Био, Fo - критериальное число Фурье описано подробно в специальной литературе по теплопроводности, например, Лыков А.В. Теория теплопроводности // А.В. Лыков - М.: Высш школа, 1967. - 599 с.
Изобретение по патенту 2420730 обладает недостатками, затрудняющими его использование на практике:
1. Способ, принятый в качестве прототипа, может быть использован для определения термического сопротивления только в том случае, когда тепловой поток на одной из сторон контролируемой многослойной конструкции постоянный. На практике такие ситуации встречаются, но достаточно редко и нельзя априори определить: будет поток меняться или не будет? Поэтому погрешность определения термического сопротивления по способу, принятому в качестве прототипа, во-первых, является величиной заранее непредсказуемой, а, во-вторых, может достигать больших значений, что не приемлемо на практике.
2. При практическом использовании способа, принятого в качестве прототипа, на результаты изменения температуры и теплового потока влияют мешающие факторы, которые сильно искажают результаты измерений. Например, на короткое время «ушли» облака и припекло Солнце, что сильно в течение небольшого времени нагрело поверхность, на которой осуществляется измерение. Данные показания избыточной температуры и теплового потока являются нехарактерными для температурной истории и вносят большую погрешность в результаты измерений. Было достаточно много случаев влияния человеческого случайного фактора - например, случайный нагрев систем регистрации температуры и теплового потока.
Изобретение направлено на устранение перечисленных недостатков.
Технический результат, достигаемый при его использовании по сравнению с ближайшим аналогом-способом по патенту РФ №2420730, заключается в повышении достоверности и производительности определения качества исследуемого объекта в нестационарных условиях теплопередачи за счет исключения влияния на результаты внешних мешающих факторов.
В том числе, недостаток по п. 1 исключается дополнительным учетом изменения теплового потока на второй поверхности, а недостаток по п. 2 исключается введением в последовательность действий сравнение измеряемых температуры и теплового потока с некоторыми определяемыми пороговыми значениями температуры и теплового потока и исключением измерений тех значений температуры и теплового потока, которые выходят за пределы пороговых значений.
Технический результат достигается за счет того, что в описываемом способе теплового контроля сопротивления теплопередаче многослойной конструкции в нестационарных условиях теплопередачи по патенту №2420730, в процессе измерения и перед определением сопротивления теплопередаче по измеренным данным выполняют следующее:
в
j
qв
из
ив
ив
из
н
j
qн
из
ив
ин
из
вн
н
- одновременно с измерением значения теплового потока на внутренней стороне конструкции q(t) с временным интервалом τ в последовательно во времени в течение интервала времени Δτ=(Δτ .... (Δτ+τ)) измеряют значения теплового потока на наружной стороне конструкции q(t) с временным интервалом τ в последовательно во времени в течение интервала времени Δτ=(Δτ .... (Δτ+τ));
н
i
в
i
в
j
н
j
- накапливают по каждому измерению значения температуры T(t), T(t) на противоположных сторонах конструкции и значения тепловых потоков q(t) и q(t).
в
j
н
j
н
i
в
i
- в процессе накопления значений (q(t), q(t), T(t), T(t)) измеряют за каждый период изменения (р=1, 2, … Р) наибольшее и наименьшее значения температуры  и тепловых потоков  на внутренней и наружной поверхностях контролируемой конструкции,
- измеряют среднюю величину наибольшего и наименьшего значений температуры и теплового потока за период измерения:
- измеряют диапазон изменения наибольших и наименьших значений температуры и теплового потока на наружных и внутренних поверхностях
контролируемой конструкции с вероятностью 0,95 по формулам:
- ограничивают максимальные и минимальные значения измеряемых температуры и тепловых потоков следующим образом:
0
0
- определяют сопротивление теплопередаче R многослойной конструкции в точке контролируемого участка поверхности исследуемого объекта с координатами x, y следующим образом:
1
из
тв
вн
где N = (целое число) от Δτ/τ
2
из
тн
N = (целое число) от τ/т,
3
из
qв
вн
N = (целое число) от Δτ/τ,
4
из
qн
н
N = (целое число) от Δτ/x,
i, j, k - индексы суммирования,
Сущность изобретения и возможность достижения технического результата будут более понятны из последующего описания со ссылками на позиции чертежей, где:
На фиг. 1 приведена реальная «идеальная» реализация во времени температуры на наружной и внутренней поверхности многослойной конструкции.
На фиг. 2 приведена реализация во времени температуры на наружной поверхности с дополнительным тепловым воздействием.
На фиг. 3 приведена функциональная схема регистрации термограммы для измерения температурного поля Т(x, y).
Здесь x, y - координаты поверхности, на которой регистрируется термограмма.
На фиг. 4 показана схема проведения экспериментальных исследований.
На фиг. 5 приведен состав конструкции, на которой проводились экспериментальные исследования с теплотехническими и геометрическими характеристиками слоев.
На фигурах приняты следующие обозначения:
1 - тепловизионная система,
2 - объект контроля - многослойная конструкция,
3 - поле обзора тепловизионной системы,
4 - мгновенной линейное поле зрения (геометрическая разрешающая способность) тепловизионной системы,
5 - контактные микропроцессорные контактные преобразователи температуры (датчики температуры),
деф
А - размеры минимального дефекта ((геометрическая разрешающая способность),
S - расстояние от тепловизионной системы до объекта контроля 1
Предлагаемый 6 - контактные микропроцессорные контактные преобразователи теплового потока (датчики теплового потока),
7 - электронный блок сбора и обработки информации,
способ работает следующим образом.
Тепловизионная система размещается перед контролируемой поверхностью на расстоянии S, обеспечивающем (фиг. 3):
- во первых - одновременное наблюдение максимальной площади контролируемой поверхности с учетом поля обзора тепловизионной системы,
- во-вторых - достоверную регистрацию минимального по размерам локального участка изменения температуры (возможного дефектного участка) поверхности контролируемой поверхности.
При этих условиях расстояние от тепловизионной системы до контролируемой поверхности определяется следующим образом:
S≥Адеф/(2N tg(γ/2)),
где S - расстояние от тепловизионной системы 6 до фурменной зоны 3,
Адеф - характерный размер участка с локальным изменением температуры (дефектный участок),
N - коэффициент, определяющий достоверность регистрации локального участка (обычно на практике принимают N=3-10),
γ - угол мгновенного линейного поля зрения оптической системы тепловизионного прибора 6 (угловая разрешающая способность. Обычно, на практике, γ=5-10 угл. мин.),
tg - тригонометрическая функция «тангенс».
На исследуемую поверхность контролируемого объекта (2) устанавливают микропроцессорные датчики температуры и теплового потока (поз. 5, 6 фиг. 4), которые измеряют температуру и тепловой поток на наружной и внутренней поверхностях контролируемого объекта с заданной периодичностью и записывают измеренные значения в электронный блок сбора и обработки информации 7.
Температурные поля и тепловой поток измеряют, например, с использованием измерителя самопишущего ИС-203.2 OOO»ТехноАс», г. Коломна, Электронного измерителя плотности тепловых потоков пятиканального ИТП-МГ4.03 «ПОТОК» и зондов, выпускаемых ООО «Стройприбор», г. Челябинск. Все используемые электронные блоки построены на основе стандартных микропроцессорных схем и микропроцессорных сборок с перепрограммируемыми запоминающими устройствами (см. например, Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника: учебн. пособие для вузов. - 3-е изд. перераб. и доп. - СПб.: - БХВ-Петербург, 2010.). В качестве тепловизионной системы используются тепловизоры фирмы FLIR, ИРТИС-2000 или аналогичные по техническим характеристикам. В проводимых экспериментах в рамках даннной заявки использовалась тепловизионная система FLIR 1500.
Измерения температуры и теплового потока осуществляется следующим образом.
в
j
qв
из
ив
ив
из
н
j
qн
из
ив
ин
из
вн
н
Одновременно с измерением значения теплового потока на внутренней стороне конструкции q(t) с временным интервалом τ в последовательно во времени в течение интервала времени Δτ=(Δτ .... (Δτ+τ)) измеряют значения теплового потока на наружной стороне конструкции q(t) с временным интервалом τ в последовательно во времени в течение интервала времени Δτ=(Дх .... (Δτ+τ));
н
i
в
i
в
j
н
j
Накапливают по каждому измерению значения температуры T(t), T(t) на противоположных сторонах конструкции и значения тепловых потоков q(t) и q(t). Данные операции осуществляются в блоке (7).
в
j
н
j
н
j
в
i
В процессе накопления значений (q(t), q(t), T(t), T(t) измеряют за каждый период изменения (р=1, 2, … Р) наибольшее и наименьшее значения температуры  и тепловых потоков  на внутренней и наружной поверхностях контролируемой конструкции, Данные операции производятся в блоках (5, 6, 7).
Измеряют среднюю величину наибольшего и наименьшего значений температуры и теплового потока за период измерения: . Данные операции осуществляются в блоке (7).
Измеряют диапазон изменения наибольших и наименьших значений температуры и теплового потока на наружных и внутренних поверхностях
- ограничивают максимальные и минимальные значения измеряемых температуры и тепловых потоков следующим образом:
Данная операция осуществляется в блоке (7).
0
Определяют сопротивление теплопередаче R многослойной конструкции в точке контролируемого участка поверхности исследуемого объекта с координатами Х, У о следующим образом:
1
из
тв
вн
где N = (целое число) от Δτ/τ,
2
из
тн
N = (целое число) от τ/τ,
3
из
qв
вн
N = (целое число) от Δτ/τ,
4
из
qн
н
N = (целое число) от Δτ/τ,
i, j, k - индексы суммирования,
Данная операция осуществляется в блоке 7.
На фиг. 4 показана схема проведения экспериментальных исследований и состав конструкции (фиг. 5) с теплотехническими и геометрическими характеристиками.
ин
и
н
в
На наружную и внутреннюю поверхность контролируемого изделия 2 устанавливаются датчики температуры и теплового потока 5, 6, которые в течение заданного времени (времени тепловой инерции контролируемого объекта -τ регистрируют с периодом τ, значения температуры T(t), T(t) на противоположных сторонах конструкции и теплового потока значения теплового потока на внутренней и наружной поверхностях.
Далее осуществляется регистрация температурного поля Т(x, y) с поверхности контролируемого объекта (фиг. 3)
На основе измеренного температурного поля Т(x, y) определяют распределение термического сопротивления R(Х, Y) по все поверхности исследуемого объекта в произвольных координатах (X, Y):
R(X, Y)=а Т(x, y)+b,
где
01
01
02
02
01
01
02
02
а=[R(X, Y)-R(X, Y)]/[T(x, y)-Т(x, у)]
01
01
01
01
b=R(X, Y)-a T(x, y).
01
01
02
02
01
01
02
02
Здесь T(x, y) Т(х, y) - распределение температурного поля в точках поверхности (x, y) и (х, y) установки датчиков температуры.
01
01
02
02
01
01
02
02
R(X, Y) и R(X, Y) - термическое сопротивление поверхности контролируемого объекта в точках с координатами (Х, Y) и (Х, Y).
Данная операция осуществляется в блоке 7.
Проведен натурный эксперимент определения сопротивления теплопередаче реальной стены строительной конструкции в реальных климатических условиях (фиг. 5).
В таблице 1 приведены сравнительные характеристики значения сопротивления теплопередаче в реперной зоне, определенные в соответствии с заявляемым способом и ближайшим аналогом и рассчитанные на основании конструкции стены (фиг. 5). Также в таблице 1 приведена погрешность определения сопротивления теплопередаче R в соответствии с настоящим изобретением и ближайшим аналогом по сравнению с величиной, рассчитанной на основании конструкции стены по известной формуле:
где i - номер слоя многослойной конструкции,
δ - толщина i-го слоя,
λ - теплопроводность материала i-го слоя,
Р - количество слоев.
Отличие определенного сопротивления теплопередаче от истинного, определенного на основании известных теплотехнических и геометрических характеристик слоев строительной конструкции обусловлено наличием случайных шумов и помех, содержащихся в экспериментальных данных. Возможно снижение погрешности (менее 1,4%) за счет применения специальных методов шумоподавления (например, дополнительных методов фильтрации).
Результаты расширенного сравнения эксплуатационных и технических характеристик способов: заявляемого, принятого в качестве прототипа и принятого в качестве аналога приведены в таблице 2.
Подтверждено, что изобретение обеспечивает следующие технические преимущества перед аналогами:
- позволяет оперативно оценить качество контролируемых объектов, регистрировать это для оформления юридических документов (акта приемки-сдачи работ субподрядных организаций и т.д.) и последующего анализа причин несоответствия фактического состояния объектов их нормативным значениям и сокращает время ремонта, например, за счет сокращения сроков оперативного контроля качества ремонта, и повышает качество ремонта за счет повышения ответственности исполнителя работы;
- значительно повышает (до 0,995) достоверность результатов контроля технического состояния строительных объектов (выявления дефектов и энергоэффективность);
- снижает возможность аварий строительных конструкций (нет данных) за счет своевременного выявления дефектов;
- повышает надежность эксплуатации строительных объектов (с последующим выходом на определение остаточного ресурса и рекомендации по повышению надежности эксплуатации);
- обеспечивает прогрессивное развитие бесконтактных способов контроля и автоматизации выявления (диагностики) дефектов в строительных конструкциях.