SPRAWOZDANIE DO ĆWICZENIA LABORATORYJNEGO Z FIZYKI BUDOWLI
DATA 20.10.2009
NUMER ĆWICZENIA 2

Temat ćwiczenia

Pirometryczne pomiary temperatury powierzchni przegród budowlanych otaczających pomieszczenie.

Cel i zakres ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z aparaturą pomiarową i metodami pomiaru temperatury powierzchni przegród budowlanych.

Zakres ćwiczenia

Zakres ćwiczenia obejmuje wykonanie pomiaru temperatury powierzchni przegród w pomieszczeniu za pomocą aparatury pomiarowej.

Podstawy teoretyczne

Prawo Plancka - na podstawie prawa Plancka, amplituda (intensywność) promieniowanej energii może być wykreślona jako funkcja długości fali.  Powierzchnia pod każdą z krzywych reprezentuje sobą całkowitą energię wypromieniowaną w odnośnej temperaturze. Prawo Plancka jest to równanie opisujące kształt widm promieniowania ciała doskonale czarnego, wprowadził je Planck w 1900 roku. Stała Plancka h=6,6253 ∙ 10 ^-34 J∙s

Należy zauważyć, że w miarę powiększania się temperatury następują dwie zmiany: rośnie amplituda krzywej, zwiększając powierzchnię (energię) poniżej niej oraz długość fali związana z energią szczytową (najwyższym punktem krzywej) przesuwa się ku krótszym długościom fal. Zależność ta jest opisana przez prawo przesunięć Wiena:

λmax = 2,89 x 10³/T

gdzie: λmax = długość fali o największej energii w mikronach, T= temperatura w Kelvinach. Prawo Wiena jest wnioskiem z rozkładu Plancka promieniowania ciała doskonale czarnego.

Emisyjność - (współczynnik emisji) jest definiowana jako stosunek energii wypromieniowanej przez obiekt w określonej temperaturze do energii wyemitowanej przez idealne źródło promieniowania, albo ciało czarne, w tej samej temperaturze. Emisyjność ciała czarnego wynosi 1,0. Wszystkie wartości emisyjności zawierają się w granicach 0,0 do 1,0.

Emisyjność (E), główny lecz nie niemożliwy do kontrolowania czynnik w pomiarach temperatury metodą IR, nie może być zignorowana. Związane z emisyjnością są współczynnik odbicia (R), miara zdolności obiektu do odbijania energii w zakresie podczerwieni, oraz współczynnik przepuszczalności (T), miara zdolności obiektu do przepuszczania energii w zakresie podczerwieni. Ponieważ całe promieniowanie musi być albo przepuszczone, albo odbite, albo zaabsorbowane to:

A + R + T = 1,0

Jeżeli dany obiekt jest w stanie równowagi cieplnej, nie staje się on ani cieplejszy ani zimniejszy; ilość energii jaką on emituje musi być równa ilości energii jaką absorbuje, tak więc A = E (emisyjność). Z podstawienia otrzymujemy:

E + R + T = 1,0
Jeżeli jakiekolwiek dwie z tych wartości są znane, trzecia jest łatwa do określenia.

Przepuszczanie - niektórych zastosowaniach, szczególnie w wypadku szkła i cienkich tworzyw sztucznych, przepuszczalność staje się bardzo ważnym czynnikiem. Jeżeli potrzebne jest zmierzenie temperatury tych substancji przy użyciu metody IR, musi być wybrana długość fali, przy której materiał jest nieprzezroczysty lub prawie nieprzezroczysty. Często pożądany jest pomiar temperatury pod powierzchnią jakiegoś obiektu. Jest to możliwe, kiedy materiał jest częściowo przezroczysty na długości fali pomiaru. W przeciwnym wypadku, wybór długości fali, na której materiał jest nieprzezroczysty, minimalizuje błędy powstałe w rezultacie docierania do termometru energii przepuszczonej przez dane ciało. Jeżeli pożądane jest dokonywanie pomiarów temperatury obiektów poprzez okienko szklane lub kwarcowe, muszą być wykorzystane fale stosunkowo krótkie, w celu skorzystania ze zdolności takich okienek do przepuszczania dużego procentu energii w zakresie podczerwieni o tych długościach fal.

Absorpcja atmosferyczna - jednym z pierwszych warunków branych pod uwagę przy wyborze zakresu widmowego jest absorpcja atmosferyczna. Pewne składniki atmosfery, takie jak para wodna, CO₂ i inne materiały pochłaniają promieniowanie podczerwone o określonych długościach fal, zwiększając ilość energii absorbowanej wraz z odległością pomiędzy mierzonym obiektem a przyrządem pomiarowym. Dlatego też, jeżeli te czynniki absorbujące zostaną zignorowane, przyrząd może odczytywać temperaturę, kiedy będzie znajdował się blisko obiektu, lecz wskaże o kilka stopni mniej z odległości kilku stóp, ponieważ wyświetlana temperatura będzie stanowić wartość średnią temperatury obiektu i temperatury atmosfery. Na odczytywaną wielkość mogą wpływać zmiany wilgotności lub obecność pary albo określonych innych gazów. Na szczęście, istnieją "okna" w widmie promieniowania podczerwonego, które pozwalają na pomijanie tych absorpcji.

Odbicie - odbicie to nagła zmiana kierunku rozchodzenia się fali na granicy dwóch ośrodków powodująca, że pozostaje ona w ośrodku, w którym się rozchodzi. Odbicie może dawać obraz lustrzany lub być rozmyte, zachowując tylko właściwości fali, ale nie dokładny obraz jej źródła.

Czułość widmowa- zależność rezystancji od natężenia oświetlenia. Na wartość czułości wpływa rodzaj materiału i sposób jego domieszkowania – dobieranie ze względu na przeznaczenie fotorezystora. Celem określenia C(λ) dla danego fotodetektora oświetla się go światłem zbliżonym do monochromatycznego, czyli o małym zakresie długości fal Δλ położonym w otoczeniu wybranej długości fali λ. Zakres ten powinien być na tyle mały, aby C(λ) i φ(λ) wewnątrz niego były praktycznie stałe. Wówczas związek między sygnałem S wygenerowanym w tych warunkach i czułością widmową C mamy następujący związek

.

Padający na fotodetektor strumień światła o szerokości widmowej Δλ jest równy

.

Ostatecznie czułość widmową wyznacza się korzystając ze wzoru

.

Do wyznaczania czułości widmowej używa się termometry IR szerokopasmowe, wąskopasmowe i stosunkowe. Jednym ze sposobów podziału termometrów IR na kategorie jest posłużenie się kryterium pasma długości fal, to jest, szerokości obejmowanego widma podczerwieni.

Metoda bezkontaktowego pomiaru temperatury powierzchni materiałów oraz aparatura służąca do jej wyznaczania - metoda ta cechuje się krótkim czasem pomiaru, co w wielu aplikacjach jest bardzo ważne, np. w przypadku obiektów poruszających się lub procesów szybkozmiennych. Urządzenia do bezkontaktowych pomiarów temperatury możemy podzielić na takie, które mierzą temperaturę w określonym punkcie, lub rejestrują jej rozkład na powierzchni. Do bezkontaktowych pomiarów punktowych są stosowane pirometry oraz specjalne głowice pomiarowe. Urządzenia te zbudowane są z układu optycznego, detektora podczerwieni i modułu elektronicznego przetwarzającego sygnał elektryczny na wartość temperatury. Wynik pomiaru może być dostępny w postaci cyfrowej na monitorze pirometru lub w formie sygnału.

Należy pamiętać, że określenie „pomiar punktowy” jest umowne i w rzeczywistości wielkość obszaru, z którego dociera promieniowanie podczerwone, jest uzależniona od układu optycznego przyrządu i od odległości, z jakiej prowadzony jest pomiar.

Urządzeniem pomiarowym o większych możliwościach jest kamera termograficzna umożliwiająca wizualizację i rejestrację rozkładu temperatury w postaci kolorowych termogramów. Kolory umownie reprezentują wartości temperatur, które można odczytać w postaci cyfrowej po wskazaniu danego punktu na monitorze kamery lub komputera w trakcie obróbki danych.

Wykonywanie pomiarów temperatury metodami bezkontaktowymi wymaga znajomości zjawisk fizycznych, które mają miejsce podczas pomiarów. Materiał, z którego wykonany jest obiekt mierzony, stan jego powierzchni, czynniki zewnętrzne (w tym atmosferyczne) mają duży wpływ na dokładność pomiaru. Wbrew pozorom pomiary kontaktowe także wymagały znajomości zasad, aby nie popełnić grubych błędów.

Zalecana temperatura powierzchni budowlanych

ROZPORZĄDZENIE MINISTRA PRACY I POLITYKI SOCJALNEJ z dnia 26 września 1997 roku mówi, że w pomieszczeniach pracy należy zapewnić temperaturę odpowiednią do rodzaju wykonywanej pracy (metod pracy i wysiłku fizycznego niezbędnego do jej wykonania) nie niższą niż (287K), chyba że względy technologiczne na to nie pozwalają. W pomieszczeniach pracy, w których jest wykonywana lekka praca fizyczna, i w pomieszczeniach biurowych temperatura nie może być niższa niż (291K).

Opis i charakterystyka aparatury pomiarowej oraz wykonanie pomiarów.

Pirometry serii MX mogą mierzyć temperaturę w granicach: od -30 do 900ºC lub

od -50 do 500ºC z dokładnością ±1% wartości mierzonej. Posiadają kołowy celownik laserowy złożony z 16 punktów dokładnie obrazujący wielkość pola pomiarowego.

Opis przeprowadzenia ćwiczenia

W Sali laboratorium dokonano pomiaru w pięciu punktach wyznaczonej siatki pomiarowej według poniższego przykładu.

Wyniki badań

Lp.	Rodzaj powierzchni	Temperatura powierzchni [^oC]	Emisyjność	Rodzaj materiału
1	Podłoga	22,0	0,6	terakota
2		20,9	0,6	terakota
3		19,1	0,6	terakota
4		18,2	0,6	terakota
5		19,2	0,6	terakota
1	Sufit	21,0	0,95	beton
2		18,0	0,95	beton
3		21,0	0,95	beton
4		18,8	0,95	beton
5		18,9	0,95	beton
1	Ściana S1 „Okno”	19,2	0,86	beton
2		19,9	0,86	beton
3		23,4	0,86	beton
4		19,3	0,86	beton
5		19,7	0,86	beton
1	Ściana S2 „Drzwi“	20,8	0,95	szkło
2		21,1	0,95	szkło
3		21,0	0,95	szkło
4		20,8	0,95	szkło
5		21,5	0,95	szkło
1	Ściana S3 „Regał”	21,0	0,95	beton
2		22,1	0,95	beton
3		21,9	0,95	beton
4		20,6	0,95	beton
5		21,0	0,95	beton
1	Ściana S4 „Tablica“	21,8	0,95	beton
2		21,2	0,95	beton
3		22,1	0,95	beton
4		22,0	0,95	beton
5		22,0	0,95	ceramika

Analiza wyników badań

Podczas analizy wyników badań należy zaznaczyć iż urządzenie którym wykonywane były pomiary temperatury przegród budowlanych nie było całkowicie sprawne. Mianowicie miał on pękniętą szybkę, co mogło wpłynąć na wyniki pomiarów.

a) Średnia temperatura powierzchni poszczególnych przegród.

Sufit = 19,54°C

Podłoga = 19,88°C

Ściana S1 = 20,3°C

Ściana S2 = 21,04°C

Ściana S3 = 21,32°C

Ściana S4 = 21,82°C

b) Porównanie wyników badań z wymogami komfortu cieplnego odnośnie przegród.

Według normy temperatura przegrody nie może się różnić od temperatury pomieszczenia o więcej niż 2°C. W badanym pomieszczeniu temperatura wyniosła 20,74°C. Dlatego też temperatury poszczególnych przegród muszą być zawarte w przedziale od 18,74°C do 20,74°C. Temperatury wszystkich przegród zawierają się w tym przedziale, komfort cieplny odnośnie przegród został spełniony.

c) Porównanie temperatur poszczególnych przegród.

Najwyższą temperaturę osiągnęła przegroda „Ściana S4”, zaś najniższą przegroda „Sufit”.

WNIOSKI

Sufit = 19,54°C

Podłoga = 19,88°C

Ściana S1 = 20,3°C

Ściana S2 = 21,04°C

Ściana S3 = 21,32°C

Ściana S4 = 21,82°C

Przeprowadzone pomiary wykazały, że są spełnione wymogi komfortu cieplnego.

Najniższą temperaturę miał sufit – 19,54°C. Sufit stykał się bezpośrednio ze środowiskiem zewnętrznym poprzez pokrycie dachowe. Pora dnia o której odbywał się pomiar była chłodna, pochmurna i wiał wiatr, co mogło wpłynąć na temperaturę przegrody, powodując znacznie jej ochłodzenie. Najwyższą temperaturę posiadała przegroda „Ściana S4” - 21,64°C, na której znajdował się regał, wypełniony dokumentami. Przegroda ta stykała się bezpośrednio z pracownią, która również była ogrzewana. Ściana akumulowała ciepło obu sal, ale również stojący regał zapobiegał dostaniu się w stronę przegrody zimnego strumienia powietrza, powodując tym samym wzrost średniej temperatury ściany.