CN103884448A - 测量构件内部温度的置入式x射线成像方法与设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量构件内部温度的置入式X射线成像设备，依次包括X射线管、具有通孔的铅板、置入在构件内部的弯曲型水银感温元件、将X射线转化成可见光的成像屏、采集成像屏上图像信息的相机、对相机采集的图像信息进行传输的图像传输单元以及处理与显示单元，铅板和成像探测器之间放置被测构件，弯曲型水银感温器件的投影落在成像屏的显示范围内。本发明利用X射线成像原理，通过图像处理读取水银柱的长度，以此来准确、可靠地测量构件内部的温度，实现了非接触式的测量。弯曲型水银感温元件占位小，对构件内部的空间要求较低。测量温度的同时还可以对物体的内部工作状态进行检测，如是否有损坏、断线等，同时不受强电磁场等外界因素的干扰。

Description

测量构件内部温度的置入式X射线成像方法与设备

技术领域

本发明涉及构件内部温度测量设备和方法，属于检测标定技术领域，尤其是一种测量构件内部温度的置入式X射线成像方法与设备。

背景技术

现代温度测量方法主要包括红外非接触测温技术、热电偶、热敏电阻测温技术和激光测温技术等。这些测温方法只能直接测量物体或结构表面的温度，无法满足很多场合中需要测量物体的内部温度或对内部温度进行监控的要求。如电气发热设备诸如电柜、电缆接头内部温度测量、锅炉炉内温度测量以及变压器中线圈绕组内部温度测量等。对于电缆接头内部温度的实时监视，有人提出在接头内部植入光纤光栅传感器，虽可实现对温度的实时监测，但未解决传感器在接头内部的安装方式、封装形式及在系统中运行的可靠性等问题。

目前构件内部温度场测量一般基于红外测温首先测得表面或近表面温度，然后通过传热理论推演内部温度。而较先进的两种锅炉炉膛温度场的测量方法是基于图像处理的温度场测量和声学高温测量法。前者利用计算机图像处理技术是一种非接触测量温度的方法，通过摄取燃烧室内部某个时刻的瞬时火焰图像，借助于光学理论和计算机图像处理技术计算出整个燃烧室内部的温度分布，该方法受使用的内窥式风冷CCD摄像头在高温、粉尘和溶渣等恶劣环境下的使用寿命限制；后者利用声波在气体混合物内的传播速度是绝对温度的第一函数这一原理测量温度，但是受发声器和接收器尺寸等原因限制。对变压器中线圈绕组内部温度测量的困难在于：内部空间小、全封闭、大电流工作形成的强电磁干扰，目前所采用的热电阻测温、红外方法、光纤传感技术等都只能对绕组表面温度测量，而对其内部温度不能准确测量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术中由于物体或构件内部温度不易测量的难题，提供一种测量构件内部温度的置入式X射线成像方法与设备，实现准确、简单、可靠的非接触式构件内部温度的测量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种测量构件内部温度的置入式X射线成像设备，依次包括发射X射线的X射线管、具有通孔的铅板、将X射线转化成可见光的成像屏、采集成像屏上图像信息的相机、对相机采集的图像信息进行传输的图像传输单元以及处理与显示单元，所述的铅板和轻型耐高温隔热层之间放置被测构件，还包括放置在被测构件中的弯曲型水银感温元件，弯曲型水银感温元件的投影完全落在成像屏的显示范围内。其中，通孔的大小使穿过它的X射线覆盖采集成像屏，以此屏蔽多余的射线。

弯曲型水银感温元件能够有效地降低温度计对被测构件内部空间大小的要求，并使其投影完整地落在成像屏的显示范围内。

为防止热辐射对成像屏产生影响，所述的成像屏的前表面粘附有一层用于隔离被测构件发出的热辐射产生的热量的轻型耐高温隔热层，所述的轻型耐高温隔热层为厚度和材质均匀、低密度且耐高温的隔热棉类材料。轻型耐高温隔热层能够使X射线强度有较低的衰减，同时起到隔热的目的，若热辐射较低也可不用此隔热层。

所述的弯曲型水银感温元件的外形和大小与被测构件内部空间相适应。

所述的弯曲型水银感温元件的形状为平面规则曲线。

所述的弯曲型水银感温元件的形状为平面螺旋形、环形、弓形或波浪形。

所述的弯曲型水银感温元件由毛细管、水银感温泡和液柱组成，所述毛细管为密度小于水银的非金属或金属材料，如石英玻璃、铝合金等材料，毛细管材料的密度与水银的密度相差越大，成像屏上水银液柱的图像越清晰。

一种所述的X射线成像设备进行构件内部温度测量的方法，具有如下步骤：

①记录弯曲水银感温元件在被测构件内部的初始温度t₀；

②调整X射线管、铅板、成像屏和被测构件四者之间的位置，使弯曲型水银感温元件的投影完全落在成像屏的显示范围内，同时铅板屏蔽多余的X射线以防止其在相机上产生噪声；

③对弯曲型水银感温元件进行温度标定，计算得到弯曲型水银感温元件的温度灵敏度；

④X射线成像设备的X射线管发出X射线投射到初始温度t₀时的被测构件，相机将成像屏上的光信号转换成图像信息，图像传输单元将图像信息发送至处理与显示单元；

⑤X射线成像设备的X射线管发出X射线投射到工作温度t下的被测构件，相机将成像屏上的光信号转换成图像信息，图像传输单元将图像信息发送至处理与显示单元；

⑥处理与显示单元将步骤④和⑤中采集的图像信息通过图像处理的方法提取出弯曲型水银感温元件的液柱长度的变化，具体方法如下：设初始温度t₀时获取的X射线图像为A₀，在工作温度t下获取的X射线图像为A，根据图像差异：B=A-A₀提取得到水银液柱长度的变化量ΔL；

⑦根据步骤⑥计算得到的水银液柱长度的变化量ΔL，以及弯曲型水银感温元件的温度灵敏度，计算得出被测构件的内部温度，并在显示单元上显示。

步骤③中，计算弯曲型水银感温元件的温度灵敏度的方法为，已知弯曲型水银感温元件量程中温度为t₁与t₂时，X射线图像上的水银柱长度分别为L₁和L₂，则水银液柱长度的变化量ΔL'，弯曲型水银感温元件的灵敏度k为：

步骤⑦中，被测构件内部温度的计算方法为，已知初始温度为t₀时，弯曲型水银感温元件在X射线图像上的水银柱长度为L₀，当工作状态下被测温度为t时，水银柱长度为L，则水银液柱长度的变化量ΔL，被测温度t为：t=k(L-L₀)+t₀=k·ΔL+t₀。

本发明的有益效果是，本发明的测量构件内部温度的置入式X射线成像方法与设备，能以非接触式的测量方法准确、可靠的测量构件内部温度，并且对构件的内部空间要求较低，并且测量温度同时还可对构件的内部工作状态进行监测，如是否断线、损坏等，同时不受强电磁场等外界因素的干扰。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的测量构件内部温度的置入式X射线成像设备的最佳实施例结构示意图；

图2是本发明中弯曲型水银感温元件的结构示意图；

图3是本发明的测量构件内部温度的方法的流程图。

图中：1.X射线管，2.铅板，3.隔热层，4.成像屏，5.相机，6.图像传输单元，7.处理与显示单元，8.被测构件，9.弯曲型水银感温元件，10.水银泡，11.毛细管,12.水银液柱。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

本发明的一种准确、简单、可靠的非接触式构件内部温度测量方法，温度测量实施步骤如下：

1.弯曲型水银感温元件的放置

弯曲型水银感温元件9的外形和大小与被测构件8内部空间相适应，如图2所示，形状为平面螺旋形。将弯曲型水银感温元件9置于被测构件8内部，并且使其位于与X射线射束方向垂直的平面上，然后将其与被测构件8固定起来。

2.温度的标定

（1）水银柱长度差的图像提取：已知弯曲型水银感温元件量程中温度为t₁与t₂时，分别获取的X射线图像为A₁和A₂，对应水银柱长度分别为L₁和L₂，可根据差异图像：C=A₂-A₁提取得到水银液柱长度的变化量ΔL'=L₂-L₁。

（2）灵敏度计算：温度敏感元件的灵敏度k为：

$k=\frac{t_2-t_1}{L_2-L_1}=\frac{t_2-t_1}{{\mathrm{\ΔL}}^{\′}}---\left(1\right)$

3.被测温度计算

（1）水银柱长度差的图像提取：设初始温度t₀时获取的X光图像为A₀，水银柱长度为L₀；在工作温度t下获取的X光图像为A，水银柱长度为可根据差异图像：B=A-A₀提取得到水银液柱长度的变化量ΔL=L-L₀。该方法适用于所测构件和水银感温元件工作于静止状态下，否则需要根据图像A和图像A₀分别进行图像分割获得液柱长度L₀和L，从而获取水银液柱长度的变化量ΔL=L-L₀。

（2）可得到被测温度t为：

t=k(L-L₀)+t₀=k·ΔL+t₀     (2)

由上述各式可知，通过温度标定获得系统的温度灵敏度，根据构件工作前后，水银柱在X射线图像中的高度差，以及初始温度，即可计算出构件工作后构件的内部温度。式（3）为本发明提供了理论依据。

如图1所示，本发明的测量构件内部温度的置入式X射线成像设备的最佳实施例，包括发射X射线的X射线管1、具有通孔的铅板2、轻型耐高温隔热层3、将X射线转化成可见光的成像屏4、采集成像屏4上图像信息的相机5、对相机5采集的图像信息进行传输的图像传输单元6以及处理与显示单元7，所述的铅板2和成像屏4之间放置被测构件8，弯曲型水银感温元件9放置在被测构件8内，弯曲型水银感温元件9的完整投影落在成像屏4的显示范围内。弯曲型水银感温元件9由毛细管11、水银感温泡10和液柱12组成，毛细管11为铝合金。

所述的成像屏4的前表面粘附一层隔离被测构件8发出的热辐射产生的热量的轻型耐高温隔热层3，所述的轻型耐高温隔热层3为厚度和材质均等、密度低且耐高温的隔热棉材料。为提高图像采集的精度，所述的相机5为CCD相机。

如图3所示，一种采用上述的X射线成像设备进行构件内部温度测量的方法。测量时，调节X射线管1、铅板2和成像屏4的位置，使被测构件8位于铅板2和成像屏4之间，调节四者间的位置，使弯曲型水银感温元件9所在平面与X射线束垂直并且中心尽量对齐，这样弯曲型水银感温元件9的投影就能整个落在成像屏4的显示范围内，以便于相机5采集图像信息，处理与显示单元7将图像信息分割出水银柱部分，并得到相应的长度差。

原理为：利用X射线管1发射的X射线透射放置在被测构件8中的弯曲型水银感温元件9，透射后的X射线携带了弯曲型水银感温元件9的水银柱长度信息，成像屏4将其转换为可见光，转换后的可见光在CCD相机5上成像。利用CCD相机5采集构件初始温度和工作状态下的图像信息，利用处理与显示单元7获取前后水银液柱的变化量。通过系统的温度标定，以及初始温度t₀状态下和工作状态t下的水银液柱长度的变化量ΔL=L-L₀，代入式（3）计算出所需测量的温度t的值。同时在测温过程中可根据构件透射图像检查被测构件8的工作状态是否正常。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (9)

1.一种测量构件内部温度的置入式X射线成像设备，其特征是：依次包括发射X射线的X射线管（1）、具有通孔的铅板（2）、将X射线转化成可见光的成像屏（4）、采集成像屏（4）上图像信息的相机（5）、对相机（5）采集的图像信息进行传输的图像传输单元（6）以及处理与显示单元（7），所述的铅板（2）和轻型耐高温隔热层（3）之间放置被测构件（8），还包括放置在被测构件（8）中的弯曲型水银感温元件（9），弯曲型水银感温元件（9）的投影完全落在成像屏（4）的显示范围内。

2.如权利要求1所述的测量构件内部温度的置入式X射线成像设备，其特征是：所述的成像屏（4）的前表面粘附有一层用于隔离被测构件（8）发出的热辐射产生的热量的轻型耐高温隔热层（3），所述的轻型耐高温隔热层（3）为厚度和材质均匀、低密度且耐高温的隔热棉类材料。

3.如权利要求1所述的测量构件内部温度的置入式X射线成像设备，其特征是：所述的弯曲型水银感温元件（9）的外形和大小与被测构件（8）内部空间相适应。

4.如权利要求3所述的测量构件内部温度的置入式X射线成像设备，其特征是：所述的弯曲型水银感温元件（9）的形状为平面规则曲线。

5.如权利要求4所述的测量构件内部温度的置入式X射线成像设备，其特征是：所述的弯曲型水银感温元件（9）的形状为平面螺旋形、环形、弓形或波浪形。

6.如权利要求1所述的测量构件内部温度的置入式X射线成像设备，其特征是：所述的弯曲型水银感温元件（9）由毛细管（11）、水银感温泡（10）和液柱（12）组成，所述毛细管（11）为密度小于水银的非金属或金属材料。

7.一种采用权利要求1-6任一项所述的X射线成像设备进行构件内部温度测量的方法，其特征是具有如下步骤：

①记录弯曲水银感温元件在被测构件（8）内部的初始温度t₀；

②调整X射线管（1）、铅板（2）、成像屏（4）和被测构件（8）四者之间的位置，使弯曲型水银感温元件（9）的投影完全落在成像屏（4）的显示范围内，同时铅板（2）屏蔽多余的X射线以防止其在相机（5）上产生噪声；

③对弯曲型水银感温元件（9）进行温度标定，计算得到弯曲型水银感温元件（9）的温度灵敏度；

④X射线成像设备的X射线管发出X射线投射到初始温度t₀时的被测构件，相机将成像屏上的光信号转换成图像信息，图像传输单元将图像信息发送至处理与显示单元；

⑤X射线成像设备的X射线管发出X射线投射到工作温度t下的被测构件，相机将成像屏上的光信号转换成图像信息，图像传输单元将图像信息发送至处理与显示单元；

⑥处理与显示单元将步骤④和⑤中采集的图像信息通过图像处理的方法提取出弯曲型水银感温元件的液柱长度的变化，具体方法如下：设初始温度t₀时获取的X射线图像为A₀，在工作温度t下获取的X射线图像为A，根据图像差异：B=A-A₀提取得到水银液柱长度的变化量ΔL；

⑦根据步骤⑥计算得到的水银液柱长度的变化量ΔL，以及弯曲型水银感温元件（9）的温度灵敏度，计算得出被测构件的内部温度，并在显示单元上显示。

8.如权利要求7所述的构件内部温度测量的方法，其特征是：步骤③中，计算弯曲型水银感温元件（9）的温度灵敏度的方法为，已知弯曲型水银感温元件量程中温度为t₁与t₂时，X射线图像上的水银柱长度分别为L₁和L₂，则水银液柱长度的变化量ΔL'，弯曲型水银感温元件（9）的灵敏度k为：

9.如权利要求8所述的构件内部温度测量的方法，其特征是：步骤⑦中，被测构件内部温度的计算方法为，已知初始温度为t₀时，弯曲型水银感温元件在X射线图像上的水银柱长度为L₀，当工作状态下被测温度为t时，水银柱长度为L，则水银液柱长度的变化量ΔL，被测温度t为：t=k(L-L₀)+t₀=k?ΔL+t₀。

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