Для домовладельцев накопление влаги может вызвать самую большую головную боль. Плесень растет на гипсокартоне и древесных материалах, расползаясь по стенам, полу и потолкам. Строительные материалы начинают разрушаться и гнить. По мере повреждения изоляции энергоэффективность дома снижается. Страдает даже здоровье человека, поскольку влага также приводит к проблемам с качеством воздуха.
Ключом к предотвращению значительного ущерба от влаги является обнаружение его на ранней стадии, когда его можно легко исправить.
Исследователи из Окриджской национальной лаборатории Министерства энергетики США используют отражение микроволнового радара для неразрушающего обнаружения и измерения содержания влаги в материалах внутри стен, не снимая гипсокартон или облицовку. Это также ускоряет идентификацию влаги и позволяет бороться с плесенью на ранних стадиях.
«Мы знаем, что микроволновый радар подает большие надежды в этом вопросе, поскольку хорошо известно, что он может измерять влажность в образцах древесины», — сказал Филип Будро из ORNL. «Но может ли он измерить влажность древесины внутри стены, чтобы обнаружить проблемы с высокой влажностью до того, как они станут серьезной проблемой? Это вызов».
Протекающее уплотнение
Ограждающая конструкция здания состоит из наружных стен, крыши и фундамента, которые соединены между собой для предотвращения проникновения влаги. Но сама оболочка подвержена проблемам с влажностью, вызванным многими факторами: слишком сильным дождем, сыростью земли, утечкой воздуха через отверстия и диффузией пара, когда влага перемещается от более высоких концентраций к более низким через оболочку.
Большинство домов построено из деревянных каркасов, и когда древесина влажная, это идеальная среда для роста плесени. Если стена повреждена или спроектирована неправильно, водяной пар, просачивающийся сквозь древесину, может сделать ее влажной. По этой причине, сказал Будро, древесина была выбрана в качестве исходного материала для исследования возможностей микроволнового радара.
«Вы можете обнаружить воду в древесине с помощью микроволновой энергии, которая отражается от материала с помощью радара», — сказал Будро. «Вы также можете измерить влажность более чем одного типа материала внутри стены».
Являясь частью электромагнитного спектра, микроволны взаимодействуют с материалами так же, как видимый свет, но проникают дальше, создавая отражения. Радарные системы работают, излучая сигналы, подобные микроволнам, а затем обнаруживая отражения этих микроволн. При использовании со стенами характеристики импульса отражения микроволнового излучения зависят от влажности материала. Стены состоят из слоев материалов, и каждый слой может иметь разное количество влаги. Однако, измеряя время, необходимое микроволнам для возвращения к датчику, можно рассчитать расстояние до каждого материала в стене, и это можно использовать для составления карты и измерения влажности внутри слоев.
Измерение
Исследование ORNL было сосредоточено на обнаружении влаги в структурной обшивке стен, которая в домах обычно изготавливается из ориентированно-стружечных плит. Эта доска находится сразу за облицовкой или внешним слоем в конструкции с деревянным каркасом.
Будро и его команда провели экспериментальные испытания на образцах деревянной обшивки площадью 305 квадратных миллиметров и толщиной 10 миллиметров. Каждый кусок сушили в духовке, а затем кондиционировали для достижения определенного содержания влаги. Команда использовала микроволновый радар для измерения содержания влаги в оболочке, а затем сравнила результаты с измерениями, полученными с помощью обычного портативного влагомера.
«Результаты доказали, что технология микроволнового радара может обнаруживать и измерять влажность внутри оболочки и делать это с точностью до 3% по сравнению с обычными портативными измерительными приборами», — сказал он. Чтобы метод работал в зданиях, команде Будро нужно было сначала выяснить, может ли микроволновый радар видеть обшивку за гипсокартоном. «Итак, мы поместили кусок гипсокартона перед обшивкой на расстоянии трех с половиной дюймов и сразу увидели, что да, радар видит обшивку», — сказал он.
Затем испытания для проверки концепции перешли ко второму этапу — определению, может ли радар определить содержание влаги в обшивке. Применив математические алгоритмы, разработанные исследовательской группой ORNL, результаты снова оказались положительными. Сигналы отражения радара можно соотнести с содержанием влаги.
«Мы можем предсказать форму отраженного микроволнового импульса от влажной ориентированно-стружечной плиты», — сказал он. «Но пульс также можно проанализировать эмпирически, сопоставляя характеристики пульса с содержанием влаги».
Затем исследователи преобразовали экспериментальную установку в портативную миниатюрную электронную систему, позволяющую проводить полевые измерения. Экспериментальная установка включала измерения, основанные на отражении микроволновых сигналов на частоте 10–15 гигагерц.
За стенами
Учитывая многообещающие результаты исследовательской группы, цель состоит в том, чтобы лицензировать технологию ORNL производителю, чтобы однажды портативную микроволновую радиолокационную систему можно было купить в готовом виде, что позволит любому инспектору или домовладельцу приобрести и использовать это устройство. Этот инструмент также можно использовать для оценки крыш и фундаментов и может помочь потенциальным покупателям жилья избежать неожиданностей, выявляя проблемы, которые могут остаться незамеченными во время проверки.
«При разработке детектора мы создали систему, специально предназначенную для стен жилых домов и для общего доступа», — сказал Будро. «Он небольшой, портативный, легкий, легко настраивается и может быть адаптирован для передачи в соответствии с регламентом частоты».
Следующий этап исследования команды включает измерение отражения микроволнового излучения от полностенных конструкций с различной облицовкой, например виниловым сайдингом и кирпичом.
«При раннем обнаружении небольшая проблема может быть устранена до того, как произойдет серьезный ущерб», — сказал он. «Мы нашли то, что может помочь обнаружить эту влагу на ранней стадии, но нам еще предстоит поработать, а также больше материалов для тестирования и больше границ для исследования с помощью отражения микроволнового радара».
Результаты исследования исследовательской группы были опубликованы в журнале IEEE Xplore и представлены на конференции IEEE Radar Conference 2024 в Денвере. Помимо Будро, в число авторов входят Стивен Киллоу и Руй Чжан под руководством Дианы Хун, менеджера подпрограммы создания конвертов в ORNL. Финансирование было предоставлено Управлением строительных технологий Министерства энергетики США.
UT-Battelle управляет ORNL Управления науки Министерства энергетики, крупнейшего спонсора фундаментальных исследований в области физических наук в Соединенных Штатах. Управление науки работает над решением некоторых из наиболее острых проблем нашего времени. Для получения дополнительной информации посетите сайт Energy.gov/science.