CN101281079A - 基于红外成像技术的泄漏检测定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于红外成像技术的泄漏检测定位方法及系统，属于检测技术领域。本发明的泄漏检测定位系统包含控制、红外成像、冷却、传感、充气和显示装置组成。采用冷却装置对一定压力的气体进行冷却作为测试介质，通过控制装置驱动各阀门对被测对象进行充气完成时序控制，由传感装置检测系统状态，利用红外成像装置对被测对象的红外图像进行采集，红外图像传输至控制装置并经过一系列图像处理操作用于分析、计算泄漏量以及进行泄漏点定位，检测结果显示在显示装置上。本发明具有检测精度高、泄漏点定位效率高、抗干扰能力强、非接触式自动测量的优点。

Description

基于红外成像技术的泄漏检测定位方法及系统

技术领域

本发明涉及一种泄漏检测定位方法及其设备，尤其是一种以低温压力气体作为检漏介质、利用红外成像装置对被测对象进行成像的泄漏检测定位方法及系统，属于检测技术领域。

背景技术

当今社会科学技术迅猛发展，市场对产品的需求呈现出多样性、复杂性的特点，竞争也愈加激烈。对具有容器性质的对象来说，其密封性能的好坏直接决定了产品的质量。如果使用了泄漏量超过允许范围的不合格品，不仅其功能会受到影响，严重时还有可能导致火灾、爆炸、有害气体溢出等严重后果。伴随着泄漏检测技术的日臻完善，工业生产对设备气密性的要求也越来越高，因此，除了设计和加工过程中应采取有效措施消除泄漏隐患外，在设备的生产、组装、调试以及使用过程中，还需要运用有效的检漏手段，将不允许存在的漏孔找出来，以便进行修补。

目前对于气体泄漏点定位的研究多集中在长距离石油、天然气输送管线方面，而对于非管道类对象的气密性检测定位通常采用以下三种办法：1、在传统气泡检测法中人工观测气泡位置确定泄漏点；2、利用氦气或卤素气体作为示踪气体，根据氦质谱检测、卤素检测原理利用手持探头进行泄漏点定位；3、在超声波泄漏检测中利用超声波定向探头检测泄漏点位置。其中，方法1、2受检测原理所限，存在着效率低下、无法在线诊断等缺点。而方法3只有在泄漏孔较大并且流过气体为湍流时才可以采用，且容易受到噪声干扰。众多的工业生产过程迫切需要一种更加高效、可靠的泄漏检测定位方案，以解决上述相关技术中的问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于红外成像技术的泄漏检测定位方法及系统，可以用于各种具有容器性质被测对象的泄漏检测，能够自动、快速、准确地实现泄漏非接触式测量以及泄漏点定位，有效提高检测效率。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明提供了基于红外成像技术的泄漏检测定位方法，包括以下步骤：步骤一，在预定位置处采集被测对象的红外图像，并将其存储为预先存储的红外图像；步骤二，对所述被测对象充入冷却测试介质；步骤三，再次采集所述被测对象的红外图像，并将采集到的红外图像与所述预先存储的红外图像进行比较，或者对连续采集到的所述被测对象不同时刻的多帧红外图像进行比较；步骤四，根据所述比较的结果确定所述被测对象是否泄漏；步骤五，如果检测到所述被测对象泄漏，则定位泄漏点。

步骤三还包括以下步骤：

一、以预定大小为n₁×n₂的像素窗口分别对采集到的所述红外图像和所述预先存储的红外图像进行遍历扫描；或者以预定大小为n₁×n₂的像素窗口对连续采集到的所述多帧红外图像进行遍历扫描；

二、计算扫描所述红外图像得到的基于n₁×n₂像素窗口局部熵的熵值矩阵H_f(n₁，n₂)，并计算扫描所述预先存储的红外图像得到的基于n₁×n₂像素窗口局部熵的熵值矩阵H_n(n₁，n₂)，其中 $H_k=-\underset{i=1}{\overset{n_1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n_2}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{\mathrm{ij}}{\log }_2{p}_{\mathrm{ij}},$ $p_{\mathrm{ij}}=f(i,j)/\underset{i=1}{\overset{n_1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n_2}{\mathrm{\Σ}}}f(i,j),$ k＝f，n，f(i，j)为图像中(i，j)像素点的灰度值；

或者计算扫描所述多帧红外图像得到的基于n₁×n₂像素窗口局部熵的m个熵值矩阵H_α(n₁，n₂)，其中 $H_{\mathrm{\α}}=-\underset{i=1}{\overset{n_1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n_2}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{\mathrm{ij}}{\log }_2{p}_{\mathrm{ij}},$ $p_{\mathrm{ij}}=f(i,j)/\underset{i=1}{\overset{n_1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n_2}{\mathrm{\Σ}}}f(i,j),$ α＝1…m，f(i，j)为图像中(i，j)像素点的灰度值；

三、计算H_f(n₁，n₂)与H_n(n₁，n₂)的熵差矩阵ΔH_nf(n₁，n₂)＝|H_n-H_f|，或者计算α取不同值时多个H_α(n₁，n₂)的熵差矩阵ΔH_α(n₁，n₂)＝|H_α1-H_α2|，α₁＝1…m，α₂＝1…m。

本发明的基于红外成像技术的泄漏检测定位系统，用于实现权利要求1所述的泄漏检测定位方法，包括：气压源、截止阀、气动三联件、精密减压阀、压力表、冷却装置、电磁阀、流量计、消音器、调速阀、压力传感器依次由管路串接构成，以及绝热材料、温度传感器、红外成像装置、控制装置；其中，冷却装置受控制装置的控制；控制装置由检测输入电路、控制输出电路和计算装置构成，用于控制所述检测步骤、冷却装置和所述红外成像装置的运行，并对采集到的所述被测对象的红外图像进行处理以确定是否泄漏，如发生泄漏则进行泄漏点定位；流量计、压力传感器、温度传感器与控制装置的检测输入电路连接，而控制装置的控制信号通过控制输出电路与电磁阀做电控制连接。

所述基于红外成像技术的泄漏检测定位系统，在被测对象之前的气动回路中，包含有用于对气体介质进行冷却的冷却装置，该冷却装置可以进行温度显示与控制。

所述基于红外成像技术的泄漏检测定位系统，包括：红外成像装置，用于采集被测对象的红外图像，并由控制装置通过图像处理的方式进行泄漏判断、泄漏量计算以及泄漏点定位。

基于红外成像技术的泄漏检测定位系统中的控制装置，包括：

存储模块，用于存储由所述红外成像装置采集到的所述被测对象的红外图像，以及预先存储未充入所述冷却测试介质时的所述被测对象的红外图像；

扫描模块，用于以预定像素窗口分别对采集到的所述红外图像以及所述预先存储的红外图像或者所述多帧红外图像进行遍历扫描；

计算模块，用于根据权利要求2所述步骤对红外图像进行计算；

比较模块，用于根据权利要求3所述步骤和权利要求4所述步骤完成对红外图像的比较。

存储模块将所存储的所述红外图像传送至扫描模块，扫描模块根据预定规则对红外图像进行扫描并将扫描结果传输至计算模块，计算模块依据权利要求1所述方法对红外图像进行处理并将结果数据输出至比较模块，比较模块再根据预定阈值对泄漏情况进行判断，得出检测结论。

本发明的检测方法基本原理如下：

(1)气体动力学分析。根据焦耳-汤姆逊效应可知，压缩气体通过节流孔的绝热膨胀过程会产生吸热现象，利用气体通过节流小孔流动模拟密闭容腔内的气体发生泄漏的情况，类比亚声速流状态的收缩喷嘴流速计算公式进行分析，这样的假设对于只作精度不高的定量分析时是合理的，最终的泄漏点定位，漏孔尺寸辨识乃至泄漏量判断主要通过红外成像技术实现。

假定气体为理想气体，在收缩喷嘴中气流的速度远大于气体与外界进行热交换的速度，气体流过喷嘴时的能量损失远小于它具有的总能量，可以忽略。因此，喷嘴中的流动可视为等熵流动。即满足气体绝热可逆过程。假设容腔内部空气流动速度远小于泄漏孔处气流速度，因此可设容腔内的气体参数为滞止参数ρ₀，P₀，T₀，a₀且均保持不变，假定容腔外部空气中的气体参数为ρ，P，T，a，泄漏孔有效截面积为A，出口截面的气体参数为ρ_c，P_c，T_c，a_c，其中，ρ为气体密度，P为气体压强，T为气体温度，a为声速。当泄漏孔处气体流动状态为亚音速流时，将容腔内部空气的滞止参数和泄漏孔出口截面的参数代入等熵流动运动方程，即可得到出口截面的流速为：

${\mathrm{\ω}}_e=\sqrt{\frac{2k}{k-1}R(T_0-T_e)}=\sqrt{\frac{2k}{k-1}R{T}_0[1-{\left(\frac{p_e}{p_0}\right)}^{\frac{k-1}{k}}]}$

其中，绝热指数k＝1.4，气体常数R＝C_p-C_v＝287.1J/(kg·K)，p_e＝p。因为等熵过程，所以ρ_e＝ρ₀(P_e/P₀)^1/k，根据连续性方程，体积流量和质量流量分别为Q_v＝ωA，Q_m＝ρωA，A为节流小孔流通截面积，所以推导由泄漏流动产生的温差如下：

$\mathrm{\ΔT}=T_0-T_e=\frac{{\mathrm{\ω}}_e^2\·(k-1)}{2k\·R}=\frac{Q_v^2\·(k-1)}{2k\·R\·A^2}=\frac{8\·Q_v^2\·(k-1)}{k\·R\·{\mathrm{\π}}^2\·d^4}$

气密性检测过程中，通常情况下通过泄漏孔的气体流动为亚音速流，因此，可以依据上式求出泄漏孔处的瞬时温度变化与泄漏量之间的关系，进而利用红外成像装置进行采集。以上分析中，将泄漏孔简化为收缩喷嘴，做了较大的近似，实际应用时应结合实验数据对结果进行修正。

(2)传热学分析。

由于本发明采用主动冷却的方式对气体测试介质进行降温，因此在从气体动力学角度分析泄漏流量对被测对象温度场影响的同时还应考虑热对流与热传导，最终由泄漏导致的充气前后被测件漏孔温度差等效为二者的叠加。本发明利用有限元方法对泄漏发生时的稳态传热过程进行分析。

通常情况下，由于被测对象周围没有高温物体，因此忽略辐射换热作用。取被测件上包含泄漏点处相邻的第k和第k+1个面元，其大小远小于漏孔直径，热交换示意图如图5所示。分别考虑热对流和热传导，其中，q_K为当第k个面元与泄漏孔相连时，泄漏流动(属对流换热)从面元k带走的热量。设λ为导热率，T_k与T_k+1分别为面元k和相邻面元k+1的温度，A_k，k+1为传导截面积，L_k，k+1为有效导热距离。因此，面元k与相邻面元k+1之间的热传导可以表示为：

${\mathrm{Conduction}}_{k+1}=-\frac{\mathrm{\λ}{A}_{k,k+1}}{L_{k,k+1}}(T_k-T_{k+1})$

由于面元k同时与n个面元相连，因此，面元k与它们之间热传导之和可以表示为：

$\mathrm{Conduction}=-\underset{n}{\mathrm{\Σ}}\frac{\mathrm{\λ}{A}_{k,k+n}}{L_{k,k+n}}(T_k-T_{k+n})$

面元的对流传热包含两部分：外表面与外界常温空气的对流换热以及内表面与低温压缩空气的对流换热，根据牛顿定律，令面元k的面积为A_k，温度为T_k，则对流换热可以表示为：

内表面：Convection_inside＝A_kα_i(T_k-T_i)

外表面：Convection_outside＝A_kα_o(T_k-T_o)

其中，T_i为被测件容腔内部低温压缩空气的温度，T_o为工件外部空气温度，α为对流换热系数。由于被测件内、外表面进行的均为自然对流，因此α_i和α_o为常数。综上所述，可得面元k的热交换稳态平衡方程：

$\underset{n}{\mathrm{\Σ}}\frac{-\mathrm{\λ}{A}_{k,k+n}}{L_{k,k+n}}(T_{k+n}-T_k)+A_k{\mathrm{\α}}_i(T_k-T_i)+A_k{\mathrm{\α}}_0(T_k-T_0)+q_k=0$

其中，不与泄漏孔相连的面元存在边界条件q_k＝0。联立所有面元的热交换平衡方程，可以得到被测对象温度场分布的稳态热平衡方程组，这就为通过红外成像技术进行泄漏检测及定位建立了理论依据。

本发明的有益效果

①采用本发明所提供的方法和系统进行泄漏检测及定位，有效解决了传统气泡检测法必须浸水检验的缺点，同时克服了人工观测泄漏位置带来的检验标准不统一、误报率高等问题。

②相对于质谱检测，由于本发明可以通过图像处理方式自动对泄漏点进行查找和诊断，并能够完成泄漏量的实时计算，更加符合工业领域在线检测的需求。

③相对于超声波泄漏检测定位方法，本发明可以更加高效、准确地定位泄漏点而不受泄漏流动是否为湍流的制约，同时抗干扰性能也大大优于前者。

本发明检测方法具有高精度、高效率、自动分析等优点，检测系统操作简便、抗干扰能力强，可广泛用于工业生产过程中具有容器性质被测对象的密封性检测领域。

由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明基于红外成像技术泄漏检测定位系统的气动回路示意图；

图2为本发明基于红外成像技术泄漏检测定位方法的主流程图；

图3为本发明基于红外成像技术泄漏检测定位系统控制装置中图像处理软件的主流程图；

图4为本发明基于红外成像技术泄漏检测定位方法的传热学分析示意图；

图5为本发明基于红外成像技术泄漏检测定位系统对一典型被测对象进行充气前，红外成像装置采集到的被测对象红外图像；

图6为本发明基于红外成像技术泄漏检测定位系统对如图5所述典型被测对象充气达到稳定状态时，红外成像装置采集到的被测对象红外图像；

图7为图5所述红外图像的基于5×5像素窗口局部熵的熵值矩阵；

图8为图6所述红外图像的基于5×5像素窗口局部熵的熵值矩阵；

图9为图7与图8的熵差矩阵；

图中，1-气压源、2-截止阀、3-气动三联件、4-精密减压阀、5-压力表、6-冷却装置、7、8、11-电磁阀、9-流量计、10-消音器、12-调速阀、13-压力传感器，14-绝热材料、15-温度传感器、16-红外成像装置、17-控制装置。

具体实施方式

下面将结合附图来详细说明本发明的实施例。

如图1、图2所示，本发明的一种基于红外成像技术的泄漏检测定位方法，首先设定测试压力，并采用冷却装置对一定压力的气体进行冷却作为测试介质，目标温度预先设定在冷却装置中。通过控制装置驱动各阀门对被测对象进行充气完成时序控制，由传感装置检测系统状态，利用红外成像装置对被测对象的红外图像进行采集，红外图像传输至控制装置并经过一系列图像处理操作用于分析、计算泄漏量以及进行泄漏点定位，检测结果显示在显示装置上。测试完毕后控制装置切换阀门状态，对被测对象进行排气，完成一个测试循环。

利用上述的泄漏检测定位方法，本发明提供了基于红外成像技术的泄漏检测定位系统，其气动回路如图1所示。主要设备包括：气压源1、截止阀2、气动三联件3、精密减压阀4、压力表5、冷却装置6、电磁阀7、8、11、流量计9、消音器10、调速阀12、压力传感器13，它们依次由管路串接构成，其中，冷却装置6后端至被测件前端管路由绝热材料14裹覆。其控制装置17由检测输入电路、控制输出电路和计算装置构成。其红外成像装置16由控制装置17进行控制，完成对被测对象A的红外图像采集。流量计9、压力传感器13、温度传感器15与控制装置的检测输入电路连接，而控制装置的控制信号通过控制输出电路与电磁阀7、8、11做电控制连接。此外，控制装置中装有能自动进行泄漏量计算以及泄漏点定位的软件。

这里提供一种通过计算检测过程中多帧红外图像熵差的方法确定泄漏点位置的实施例，软件工作流程如图3所示。首先选取一幅被测件充气达到稳定后的红外图像F，大小为M×N像素，如图6所示，其次利用n₁×n₂像素的窗口A对F进行遍历扫描，之后计算出基于窗口A的图像F熵值矩阵为H_f(n₁，n₂)如图8所示。与非充气状态下被测件红外图像(图5)的熵值矩阵H_n(n₁，n₂)(图7)作差，差值矩阵为ΔH_nf(n₁，n₂)＝|H_n-H_f|，最后利用熵差矩阵ΔH_nf(n₁，n₂)来检测泄漏并进行泄漏点定位，如图9所示。

基于多帧红外图像熵差的泄漏检测定位策略如下：

1、如果两幅红外图像匹配的很好，局部熵差阵ΔH幅值很小且矩阵内元素的均方差也很小，则ΔH仅表征了两幅图像采集间隔中随机噪声的差异，因此可以推断被测对象没有发生泄漏；

2、如果被测对象发生了泄漏，则在泄漏点附近，局部熵差阵ΔH会有一个或多个奇异区域，设定阈值δ，判别当ΔH_nf(n₁，n₂)＞δ时，被测对象发生了泄漏。同时，熵差阵ΔH幅值的大小还为泄漏量的辨识提供了一套评判标准。

3、通过对局部熵差阵ΔH_nf(n₁，n₂)＞δ区域对应的坐标值进行反向映射，即可得到被测对象泄漏点位置。

通过上述实施例可以看出，本发明结构简单、实用性强可以用于各种具有容器性质被测对象的泄漏检测中，能够自动、快速、准确地实现泄漏非接触式测量以及泄漏点定位，有效提高了检测效率。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1、基于红外成像技术的泄漏检测定位方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一，在预定位置处采集被测对象的红外图像，并将其存储为预先存储的红外图像；

步骤二，对所述被测对象充入冷却测试介质；

步骤三，再次采集所述被测对象的红外图像，并将采集到的红外图像与所述预先存储的红外图像进行比较，或者对连续采集到的所述被测对象不同时刻的多帧红外图像进行比较；

步骤四，根据所述比较的结果确定所述被测对象是否泄漏；

步骤五，如果检测到所述被测对象泄漏，则定位泄漏点。

2、根据权利要求1所述步骤三，其特征在于还包括以下步骤：

①、以预定大小为n₁×n₂的像素窗口分别对采集到的所述红外图像和所述预先存储的红外图像进行遍历扫描；

或者以预定大小为n₁×n₂的像素窗口对连续采集到的所述多帧红外图像进行遍历扫描；

②、计算扫描所述红外图像得到的基于n₁×n₂像素窗口局部熵的熵值矩阵H_f(n₁，n₂)，并计算扫描所述预先存储的红外图像得到的基于n₁×n₂像素窗口局部熵的熵值矩阵H_n(n₁，n₂)，其中 $H_k=-\underset{i=1}{\overset{n_1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n_2}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{\mathrm{ij}}{\log }_2{p}_{\mathrm{ij}},$ $p_{\mathrm{ij}}=f(i,j)/\underset{i=1}{\overset{n_1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n_2}{\mathrm{\Σ}}}f(i,j),$ k＝f，n，f(i，j)为图像中(i，j)像素点的灰度值；

或者计算扫描所述多帧红外图像得到的基于n₁×n₂像素窗口局部熵的m个熵值矩阵H_α(n₁，n₂)，其中 $H_{\mathrm{\α}}=-\underset{i=1}{\overset{n_1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n_2}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{\mathrm{ij}}{\log }_2{p}_{\mathrm{ij}},$ $p_{\mathrm{ij}}=f(i,j)/\underset{i=1}{\overset{n_1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n_2}{\mathrm{\Σ}}}f(i,j),$ α＝1…m，f(i，j)为图像中(i，j)像素点的灰度值；

③、计算H_f(n₁，n₂)与H_n(n₁，n₂)的熵差矩阵ΔH_nf(n₁，n₂)＝|H_n-H_f|，或者计算α取不同值时多个H_α(n₁，n₂)的熵差矩阵ΔH_α(n₁，n₂)＝|H_α1-H_α2|，α₁＝1…m，α₂＝1…m。

3、根据权利要求2所述步骤三，其特征在于还包括以下步骤：

当ΔH_nf(n₁，n₂)＝|H_n-H_f|或ΔH_α(n₁，n₂)＝|H_α1-H_α2|矩阵中某一区域元素数值大于预定阈值时，判定所述被测对象发生了泄漏，否则就判定所述被测对象未发生泄漏。

4、根据权利要求3所述步骤，其特征在于还包括以下步骤：

对ΔH_nf(n₁，n₂)＝|H_n-H_f|或ΔH_α(n₁，n₂)＝|H_α1-H_α2|大于所述预定阈值的区域进行反向映射计算，求出其对应的坐标值以确定所述泄漏点位置。

5、基于红外成像技术的泄漏检测定位系统，用于实现权利要求1所述的泄漏检测定位方法，其特征在于包括：气压源(1)、截止阀(2)、气动三联件(3)、精密减压阀(4)、压力表(5)、冷却装置(6)、电磁阀(7)、(8)、(11)、流量计(9)、消音器(10)、调速阀(12)、压力传感器(13)依次由管路串接构成，以及绝热材料(14)、温度传感器(15)、红外成像装置(16)、控制装置(17)；其中，冷却装置(6)受控制装置(17)的控制；控制装置(17)由检测输入电路、控制输出电路和计算装置构成，用于控制所述检测步骤、冷却装置和所述红外成像装置的运行，并对采集到的所述被测对象的红外图像进行处理以确定是否泄漏，如发生泄漏则进行泄漏点定位；流量计(9)、压力传感器(13)、温度传感器(15)与控制装置的检测输入电路连接，而控制装置的控制信号通过控制输出电路与电磁阀(7)、(8)、(11)做电控制连接。

6、根据权利要求5所述的基于红外成像技术的泄漏检测定位系统，其特征在于：在所述被测对象之前的气动回路中，包含有用于对气体介质进行冷却的冷却装置，该冷却装置可以进行温度显示与控制。

7、根据权利要求5所述的基于红外成像技术的泄漏检测定位系统，其特征在于包括：红外成像装置，用于采集被测对象的红外图像，并由控制装置通过图像处理的方式进行泄漏判断、泄漏量计算以及泄漏点定位。

8、根据权利要求5所述的基于红外成像技术的泄漏检测定位系统中的控制装置，其特征在于包括：

存储模块，用于存储由所述红外成像装置采集到的所述被测对象的红外图像，以及预先存储未充入所述冷却测试介质时的所述被测对象的红外图像；

扫描模块，用于以预定像素窗口分别对采集到的所述红外图像以及所述预先存储的红外图像或者所述多帧红外图像进行遍历扫描；

计算模块，用于根据权利要求2所述步骤对红外图像进行计算；

比较模块，用于根据权利要求3所述步骤和权利要求4所述步骤完成对红外图像的比较，

存储模块将所存储的所述红外图像传送至扫描模块，扫描模块根据预定规则对红外图像进行扫描并将扫描结果传输至计算模块，计算模块依据权利要求1所述方法对红外图像进行处理并将结果数据输出至比较模块，比较模块再根据预定阈值对泄漏情况进行判断，得出检测结论。

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