CN101592544B - 一种利用红外成像技术检测密封腔体泄漏的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种利用红外成像技术检测密封腔体泄漏的装置，由气源、过滤器、调压阀、电磁阀、压力传感器、温度传感器、红外热像仪和控制系统组成，压力传感器、温度传感器和红外热像仪通过导线分别与控制系统连接。利用该装置检测密封腔体泄漏的方法：充气后使被检测装置达到热力学平衡状态，即单位时间内漏孔周围材料释放给气流的热量与其向周围大气吸收的热量相等，则泄漏点即可通过红外热像仪检测到的温度下降的位置来确定；而泄漏量则通过控制系统内的计算机计算确定。本发明的优点是：该检测装置结构简单、操作容易且成本较低，检测方法实用且检测误差小，能够迅速准确测定被测腔体的泄漏点和泄漏量，该检测装置及方法适用性强，有广阔的应用前景。

Description

一种利用红外成像技术检测密封腔体泄漏的装置及方法

(一)技术领域

本发明涉及密封腔内气体泄漏的检测方法，特别是一种利用红外成像技术检测密封腔体泄漏的装置及方法。

(二)背景技术

密封腔体泄漏检测的方法多种多样，例如在被测腔体中充入一定压力的气体(使用空气作为介质)，然后通过压力计观察压力降检查是否有泄漏，其优点是方法简单，但由于采用直压检测压力降，分辨率较低，泄漏量较小时不易检测，且检测结果受环境温度影响较大和不能确定泄漏点的具体位置。还有一种是差压检漏法，即将两个完全相同的被测腔体(其中一个没有泄漏)接在差压压力计两端，然后往两个被测腔体同时充入一定压力的气体，观察差压压力计两端压力差变化，其优点是可以抵消环境温度对被测腔体的影响，但是需要一个没有泄漏的被测物，同时也不能确定泄漏点的具体位置。另外一种方法是将被测腔体浸入水中通过观察气泡检查是否有泄漏，其优点是方法也较简单且能知道泄漏点的具体位置，但不易精确计算泄漏量。其他的检测方法还有氦质谱检漏和氢气检漏，即通过将氦气或氢气以一定压力充入被测腔体中，然后利用对氦气或氢气的敏感器件检测是否有氦气或氢气从被测腔体中漏出，其优点是检测精度高，但需要充入特殊的气体且成本较高、工艺复杂。

(三)发明内容

本发明的目的是针对上述存在问题，提供一种方法简单、成本较低、检测误差小、能迅速准确测定泄漏点和泄漏量的利用红外成像技术检测密封腔体泄漏的装置及方法。

本发明的技术方案：

一种利用红外成像技术检测密封腔体泄漏的装置，由气源、过滤器、调压阀、电磁阀、压力传感器、被测腔体、温度传感器A、温度传感器B、红外热像仪和控制系统组成，被测腔体有漏孔，气源、过滤器、调压阀、电磁阀和被测腔体通过管道串联连接，压力传感器设置于电磁阀与被测腔体之间的管路上，被测腔体和控制系统分别设有用于测量被测腔体腔内温度的温度传感器A和测量环境温度的温度传感器B，压力传感器、温度传感器A、温度传感器B和红外热像仪通过导线分别与控制系统连接。

所述利用红外成像技术检测密封腔体泄漏的方法为：充气后使被检测装置达到热力学平衡状态，即单位时间内漏孔周围材料释放给气流的热量与其向周围大气吸收的热量相等，则泄漏点即可通过红外热像仪检测到的温度下降的位置来确定；而泄漏量的测量和确定按以下步骤进行：

1)根据被测物的耐压范围，通过气源、过滤器和调压阀向被测腔体内充入压缩空气；

2)根据所成像大小的要求调整红外热像仪和被测漏孔之间的距离，为30～50cm；

3)等待压力传感器、温度传感器A、B示数以及红外热像仪上所显示漏孔周围因温度降低所形成的黑斑区域形状稳定；

4)由红外热像仪向控制系统传输沿着黑斑径向的温度分布测量数据；

5)控制系统根据上述温度分布测量数据进行计算来确定其泄漏量并显示结果。

本发明的工作原理：当被测腔体中充入一定压力的气体后，如果被测腔体有泄漏，由于漏出气体膨胀吸收了漏点周围的热量，使被测腔体泄漏点周围的温度降低，且泄漏量越大则吸收热量越多，温度下降越大；由于红外成像技术能够感知到温度的微小变化，因此可以容易地测得泄漏点位置，颜色梯度转化为温度梯度后可以准确地得出该区域的温度场。从另外一条独立的途径，泄漏过程的热模型可以根据相关理论建立，根据这一模型，只要输入工艺参数(被测腔体的厚度、材料的热物性参数、测试压力的大小、充入被测腔体的气体介质的种类以及热物性参数、材料和周围环境温度)，便可以计算出该区域的温度场，通过对测量的温度场和计算的温度场进行比较可以确定气体泄漏量。

泄漏量确定的计算分析：

一、泄漏量理论值的计算方法

1)控制方程

漏孔深即被测腔体的壁厚设为L、孔径设为r₁、温度影响半径设为r₂、气体出口的体积漏量为q_v、温度为T₀、周围大气温度为T_a、被测腔体初始温度为T_m、设定漏孔深方向为z向、径向为r向。

以漏孔为控制体，根据热力学第一定律：

Q+W+ΔH+ΔE＝0          (1)

其中：

$Q=2{\mathrm{\πr}}_1{\∫}_0^L{h}_1(T(r_1,z)-\mathrm{Tg}\left(z\right))\mathrm{dz}---\left(2\right)$

W＝πr₁ ²(p_au_a-p₀u₀)     (3)

ΔH＝πr₁ ²c_pρ₀u₀(T_a-T₀)     (4)

$\mathrm{\ΔE}=0.5{{\mathrm{\πr}}_1}^2{\mathrm{\ρ}}_0{u}_0(u_a^2-u_0^2)---\left(5\right)$

Q-单位时间内被测腔体释放给控制体内气体的热量

W-外界对控制体内气体做功功率

ΔH-单位时间控制体内因对流进入的净热量

ΔE-单位时间控制体内气体动能的改变量；

由连续性方程和气体状态方程：

ρ₀u₀＝ρ_au_a            (6)

p_a＝ρ_aRT_a              (7)

p₀＝ρ₀RT₀              (8)

角标a的p，u，T，ρ分别为控制体入口气体的压力、流速、温度和密度；

角标0的p，u，T，ρ分别为控制体出口气体的压力、流速、温度和密度；

c_p为气体定压热容。

出口流速u₀与泄漏量qv的关系为：

qv＝πr₁ ²u₀             (9)

由于漏孔深度小，假设气体温度沿着孔深呈线性变化：

$\mathrm{Tg}\left(z\right)=T_a-\frac{T_a-T_0}{L}z---\left(10\right)$

考虑到材料内部无热源，传热方程为：

$\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂r}^2}+\frac{1}{r}\frac{\∂T}{\∂r}+\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂z}^2}=0---\left(11\right)$

2)边界条件

与被测腔体内气体(左边界)、泄漏气体(上边界)、外界大气相邻(右边界)的被测腔体边界都设为对流换热边界，表面传热系数分别为h₂，h₁，h₂，大气温度为T_a，温度影响半径处(下边界)设为恒温边界，温度为T_m，材料热传导率为λ。即：

T_下＝T_m(14)

其中n代表边界面外法向。

二、泄漏量的计算

在与测量相同的工艺参数下，只要有一个出口漏量qv值就可以根据以上数学模型得到一条漏孔出口壁上的径向温度理论分布曲线；每条理论曲线和测量点线都产生一个误差δ_j，所有的误差中最小值δ^*所对应的漏量qv^*值就是该条件下的漏量，即：

${\mathrm{qv}}^{*}=\mathrm{qv}{|}_{{\mathrm{\δ}}^{*}=\underset{j=1}{\overset{m}{\min }}\left({\mathrm{\δ}}_j\right)}---\left(15\right)$

计算值和测量值的误差规定如下：

${\mathrm{\δ}}_j=\frac{\underset{i=1}{\overset{\mathrm{nd}}{\mathrm{\Σ}}}|{\mathrm{Tc}}_{j,i}-{\mathrm{Te}}_i|}{\mathrm{nd}}---\left(16\right)$

其中：Tc-温度计算值、Te-温度测量值、m-曲线条数、nd-每条曲线上的节点数、i-节点序号、j-曲线序号。

本发明的优点是：该检测装置结构简单、操作容易且成本较低，检测方法实用且检测误差小，能够迅速准确测定被测腔体的泄漏点和泄漏量，该检测装置及方法适用性强，有广阔的应用前景。

(四)附图说明

图1为利用红外成像技术检测密封腔体泄漏的装置示意图。

图中：1.气源  2.过滤器  3.调压阀  4.电磁阀

5.压力传感器  6.被测腔体   7.温度传感器A   8.温度传感器B

9.红外热像仪  10.控制系统  11.漏孔

其中：实线为空气管路，虚线为电路。

图2为漏孔漏气及边界条件示意图。

图3为漏孔剖面温度场三维示意图。

图4为泄漏量的确定示意图。

(五)具体实施方式

实施例：

一种利用红外成像技术检测密封腔体泄漏的装置，由气源1、过滤器2、调压阀3、电磁阀4、压力传感器5、被测腔体6、温度传感器A7、温度传感器B8、红外热像仪9和控制系统10组成，被测腔体6有漏孔11；气源1、过滤器2、调压阀3、电磁阀4和被测腔体6通过管道串联连接，压力传感器5设置于电磁阀4与被测腔体6之间的管路上，被测腔体6和控制系统10分别设有温度传感器A7和温度传感器B8，压力传感器5、温度传感器A7、温度传感器B8和红外热像仪9通过导线分别与控制系统10连接。

利用红外成像技术检测密封腔体泄漏的方法为：充入空气一段时间以后，使被检测装置达到热力学平衡状态，即单位时间内漏孔周围材料释放给气流的热量与其向周围大气吸收的热量相等，则泄漏点即可通过红外热像仪检测到的温度下降的位置来确定；而泄漏量的测量按以下步骤进行：

1)根据被测物的耐压范围，通过气源、过滤器和调压阀向被测腔体内充入压缩空气；

2)根据所成像大小的要求调整红外热像仪和被测漏孔之间的距离，为30～50cm；

3)等待压力传感器、温度传感器A、B示数以及红外热像仪上所显示漏孔周围因温度降低所形成的黑斑区域形状稳定；

4)由红外热像仪向控制系统传输沿着黑斑径向的温度分布测量数据；

5)控制系统根据上述温度分布测量数据进行计算来确定其泄漏量并显示结果。

在该实施例中，参照图2、3、4，计算情况如下：

计算参数为：

T_m＝T_a＝293K

h₁＝h₂＝250W/(m²K)

λ＝14.9W/(mK)

r₁＝0.5mm

r₂＝1mm

L＝2mm

p₀＝101325Pa

p_a＝303975Pa

在以上工艺参数、不同气体漏量下，靠近泄漏点的材料表面径向温度分布的理论数据和测量数据为：

在上表中，取泄漏量从2.0～2.5ml/min下的材料表面径向温度分布理论计算值，其中“未知”所在行表示待测漏量下的温度分布测量值。

计算结果表明：漏量越大，温度分布值越低，并且漏量和温度分布是一一对应的：一个漏量对应着唯一一个温度分布，反过来，一个温度分布对应着唯一一个漏量，这是实现红外测漏量功能的重要依据。

下面根据(15)、(16)式确定漏量，计算每一个漏量下，温度分布计算值与测量值的误差(即：图4曲线T1～T6与测量点线间的误差)：

δ₁＝(|292.983-292.89|+|292.984-292.92|+|292.987-292.93|+|292.991-292.96|+|292.995-292.98|+|293-292.99|)/6＝0.045

δ₂＝(|292.956-292.89|+|292.967-292.92|+|292.976-292.93|+|292.985-292.96|+|292.992-292.98|+|293-292.99|)/6＝0.034

δ₃＝(|292.921-292.89|+|292.941-292.92|+|292.959-292.93|+|292.974-292.96|+|292.987-292.98|+|293-292.99|)/6＝0.019

δ₄＝(|292.883-292.89|+|292.914-292.92|+|292.940-292.93|+|292.962-292.96|+|292.982-292.98|+|293-292.99|)/6＝0.006

δ₅＝(|292.847-292.89|+|292.888-292.92|+|292.922-292.93|+|292.952-292.96|+|292.977-292.98|+|293-292.99|)/6＝0.017

δ₆＝(|292.822-292.89|+|292.872-292.92|+|292.912-292.93|+|292.945-292.96|+|292.974-292.98|+|293-292.99|)/6＝0.028

由上述计算可知δ₄最小(对应地，由图4可知T4和测量点线最为接近)，因此可以确定该泄漏量为2.3ml/min。

Claims (2)

1.一种利用红外成像技术检测密封腔体泄漏的装置，其特征在于：由气源、过滤器、调压阀、电磁阀、压力传感器、被测腔体、温度传感器A、温度传感器B、红外热像仪和控制系统组成，被测腔体有漏孔，气源、过滤器、调压阀、电磁阀和被测腔体通过管道串联连接，压力传感器设置于电磁阀与被测腔体之间的管路上，被测腔体和控制系统分别设有用于测量被测腔体腔内温度的温度传感器A和测量环境温度的温度传感器B，压力传感器、温度传感器A、温度传感器B和红外热像仪通过导线分别与控制系统连接。

2.一种如权利要求1所述利用红外成像技术检测密封腔体泄漏的装置的检测方法，其特征在于：充气后使被检测装置达到热力学平衡状态，即单位时间内漏孔周围材料释放给气流的热量与其向周围大气吸收的热量相等，则泄漏点即可通过红外热像仪检测到的温度下降的位置来确定；而泄漏量的测量和确定按以下步骤进行：

1)根据被测物的耐压范围，通过气源、过滤器和调压阀向被测腔体内充入压缩空气；

2)根据所成像大小的要求调整红外热像仪和被测漏孔之间的距离，为30～50cm；

3)等待压力传感器、温度传感器A、B示数以及红外热像仪上所显示漏孔周围因温度降低所形成的黑斑区域形状稳定；

4)由红外热像仪向控制系统传输沿着黑斑径向的温度分布测量数据；

5)控制系统根据上述温度分布测量数据进行计算来确定其泄漏量并显示结果。

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