Часть 6. Тепловая экологическая диагностика.

6. 1. Задачи тепловой диагностики.

Тепловая экологическая диагностика (ТЭД) основана на регистрации аномалий температурного поля объектов экосистем, обусловленных отклонениями от стандартных условий их существования в естественных условиях.

Основными задачами тепловой диагностики являются:

- набор и обобщение данных о температурных режимах объектов экосистем, характерных для их существования в норме;

- выявление причин отклонений температурных режимов экосистем от стандартных, определение степени их опасности и возможности прогнозирования по этим отклонениям неблагоприятных сценариев развития экосистем.

Характерными объектами теплового контроля являются электрические подстанции, линии электропередач, теплотрассы, дымовые трубы, корпуса турбин и реакторов, склады сыпучих материалов и т. д.

Тепловая экодиагностика дает возможность выявления и прогнозирования отдельных видов техногенных изменений гидрологичеких и инженерно – геологических условий больших городов; имеет научно – методические основы дистанционной тепловой съемки и интерпретации ее данных для целей мониторинга геологической среды.

6. 2. Физические основы и элементная база тепловой диагностики.

Различают пассивный и активный тепловой неразрушающий контроль (ТНК). При пассивном ТНК анализ тепловых полей изделий производят в процессе их естественного функционирования. Активный ТНК предполагает нагрев объекта внешним источником энергии. В основе аналитического решения задач активного теплового контроля лежит уравнение теплопроводности.

Физические основы теплового излучения. Бесконтактные методы теплового контроля основаны на использовании ИК – излучения, испускаемого всеми нагретыми телами. ИК – излучение занимает широкий диапазон длин волн от 0,76 до 1000 мкм. Для характеристики теплового излучения удобно использовать понятие абсолютно черного тела (АЧТ). Законы излучения АЧТ могут применяться с известной поправкой для большинства реальных тел.

Физические основы измерения температуры. В качестве опорных точек приняты температура Т замерзания (0⁰ С) и кипения (100⁰ С) воды. Если начало отсчета установлено от абсолютного нуля температур, то получим абсолютную термодинамическую шкалу, единицей которой служит градус К. Значения температур по этим шкалам соотносятся Т = t + 273,15 K. Формирование теплового поля температурно контрастных объектов в первую очередь определяется основным источником нагрева. По этому признаку можно выделить объекты с внешним источником и с внутренним. Внешним источником теплоты является Солнце.

6. 3. Средства контроля температуры.

Термометры. Эти приборы можно разделить на жидкостные, манометрические термометры, термопары, термометры сопротивления и термоиндикаторы.

Безконтактные методы термометрии. Действие пирометров излучения основано на фотоэлектрической, визуальной и фотографической регистрации интенсивности теплового излучения нагретых тел, пропорционального их температуре. Пирометры обычно имеют объектив для фокусировки излучения на фотодетектор, светофильтры и блок электронной обработки сигнала.

Яркостными пирометрами измеряют спектральную яркость объекта на определенной длине волны, которая сравнивается с яркостью АЧТ.

Цветовыми пирометрами измеряют интенсивность излучения объекта в двух узких зонах спектра, отношение которых сравнивается с соответствующим отношением для АЧТ. Показания цветовых пирометров не зависят от коэффициента излучения объекта.

Радиационные пирометры, работающие в широком спектральном диапазоне используют для измерения температуры слабонагретых тел. При этом применяют объективы из материалов, прозрачных в соответствующей спектральной области.

Для определения распределения температуры по поверхности объекта вдоль заданной линии развертки применяют радиационные пирометры с оптико – механической системой линейного сканирования – термопрофили. Схема типичного термопрофиля представлена на рис. 6. 1.

Рис. 6.1. Схема и устройство оптического узла сканирующего радиометра:

1. окно; 2 - ИК-объектив; 3 - окуляр; 4 - объектив визира; 5 - призма; 6 - АЧТ; 7 – фотоприемник.

Прибор состоит из блоков сканирования и регистрации. Блок сканирования представляет собой объектив, расположенный на вращающемся роторе. Объектив 2 предназначен для работы в ИК – области спектра и изготовлен из линзовых компонентов (германиевых и кремниевых). С помощью зеркала 5 поток инфракрасных лучей последовательно направляется на фотоприемник (детектор) 7. В схеме прибора предусмотрен эталонный температурный источник 6, уровень излучения которого поддерживается с высокой точностью. Таким образом, на детектор последовательно попадает ИК – излучение от объекта и опорного излучателя, относительная интенсивность которых сравнивается с помощью электронной схемы. После усиления сигналы детектора 7, пропорциональные ИК – излучению объекта и эталонного излучения, подаются на кинескоп блока индикатора и воспроизводятся в виде яркой линии.

Тепловизионная аппаратура. Это тепловизоры, имеющие преобразователи с оптико – механическим сканированием (ПОМС) для анализа собственного теплового излучения объектов.

Структурная схема тепловизора с оптико – механическим сканированием, представленная на рис. 6. 1. , включает приемную оптическую систему 1, детектор ИК – лучей 2, сканирующую систему 3, обеспечивающую последовательный просмотр объекта по заданному закону, усилитель 4, систему развертки и синхронизации 5 и ЭЛТ 6.

Рис. 6.2. Структурная схема тепловизора:

1 - оптическая система; 2 - приемник излучения; 3 - сканирующее устройство;

4 - усилитель; 5 - система развертки и синхронизации; 6 - электронно-лучевая трубка.

Разработаны тепловизионные приборы, использующие пироконы. Достоинством тепловизионных приборов с пироконом является возможность создания компактных малогабаритных приборов.

Перспективные методы термометрической аппаратуры для экологической диагностики. Методы лазерной термометрии. Эти методы основаны на использовании в качестве термометрического свойства изменение характеристик оптического излучения (амплитуды, частоты, фазы, поляризации) после его взаимодействия с объектом контроля.

Акустические термометры. Метод акустической термометрии основан на зависимости скорости звука в атмосфере от температуры.