CN106706216B - 一种高于环境温度的气体泄漏的非接触检测方法 - Google Patents

一种高于环境温度的气体泄漏的非接触检测方法 Download PDF

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    • G01M3/04—Investigating fluid-tightness of structures by using fluid or vacuum by detecting the presence of fluid at the leakage point

Abstract

一种高于环境温度气体泄漏的非接触检测方法，属于实验力学、气体密封测量技术领域。该方法首先采用红外热成像仪实时拍摄待检测区域的全场图像，得到一组红外图像，进而得到对应的温度场；对所得到的温度场进行温度梯度运算，得到温度梯度；结合热传导理论和红外图像处理算法对图像进行处理，从而得到气体泄漏位置和泄漏率。本发明基于红外热成像技术、图像处理及热传导理论，来测量高于环境温度气体泄漏时的位置和泄漏率，可同时实现泄漏位置精确定位、泄漏量定量化测量，且适用性广，不局限于具体某种气体，具有检测灵敏度高和抗干扰能力强等特点。

Description

一种高于环境温度的气体泄漏的非接触检测方法
技术领域
本发明涉及一种高于环境温度气体的泄漏检测方法，属于实验力学、气体密封测量领域。
背景技术
气体泄漏已成为工业生产、管道运输的重大安全隐患，快速评估气体泄漏状况，进而采取现场应急措施等尤为重要。
在已有热成像测量气体泄漏的已知方法中，主要利用气体红外光谱吸收特征、泄漏前后的温度变化等方法探测气体泄漏情况。但是上述方法有些只对特定气体适用；有些则需要采集泄漏前后的温度图像，存在过程繁琐、测量周期较长等缺陷；目前，亟需开发简易、快速的利用非接触红外成像原理同时获得泄漏位置和泄漏率的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于红外热成像技术、图像处理及热传导理论的高于环境温度的气体泄漏的非接触检测方法，从而实现对泄漏位置的精准定位以及泄漏率的精确测量。
本发明的技术方案如下：一种高于环境温度气体泄漏的非接触检测方法，其特征在于所述方法按如下步骤进行：
1)确定管道或密封件泄漏检测区域，采用红外热像仪不断拍摄图片直至完全覆盖泄漏检测区域，得到一组对应区域的红外图像，进而得到对应的温度场
2)对所得到的温度场进行温度梯度运算，得到温度梯度：
3)不断搜索全场的温度梯度值，找到梯度值最大的位置，即为泄漏位置；
4)利用泄漏率与泄漏位置边缘处的温度梯度关系式得到泄漏率：
a＝-0.003085，b＝-0.004129，c＝2.819×10-4，d＝-9.959×10-7
其中Q为气体质量流量泄漏率，单位为g/s、为泄漏位置边缘处的温度梯度，r为泄漏孔的半径，T0为环境温度，ΔT为管道或容器内气体温度与环境温度之差，t为管壁厚度，l为导热系数，CP为气体比热容，x为无量纲参量等。
上述技术方案中，其特征在于，采用差分方法对所得到的温度场进行温度梯度运算。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性的技术效果：本发明结合红外热成像技术、图像处理及热传导理论，实现了高于环境温度气体的泄漏位置和泄漏率的非接触测量，克服了泄漏率测量的过程繁琐、测量周期较长、价格高昂等缺点，达到节省费用、简化流程的目的。同时，本发明不需要改变气体泄漏时的装置，对环境条件要求低，能够载常规方法难以实施的工况下进行测量，比如火灾现场、危险气体泄漏等，对气体泄漏测试技术方面产生革新性的变化。
附图说明
图1是高于环境温度气体泄漏的非接触检测方法原理示意图。
图2是气体泄漏时沿孔径方向的温度分布。
图3是气体泄漏时沿孔径方向的温度梯度值。
图中：1-含漏孔的管道、容器；2-红外热像仪；3-计算机及相关采集处理软件。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的具体结构、工作原理、工作过程，但不应以此限制本发明的保护范围。
图1是高于环境温度的气体泄漏的非接触检测方法原理示意图，图中包含存在漏孔的管道、容器1、红外热像仪2和计算机及相关采集处理软件3。红外热像仪2拍摄待测区域得到温度图像，由计算机及相关采集处理软件3进行存储、处理。采集处理软件采用MATLAB语言编写，可以实现红外图像的温度提取、梯度运算以及泄漏位置和泄漏量的计算。
图2是气体泄漏时沿孔径方向的温度分布，其显示了气体泄漏时的温度特征。
图3是气体泄漏时沿孔径方向的温度梯度值，在泄漏位置处的温度梯度值最大。
利用本发明可以实现对高温气体泄漏位置、泄漏率的同步测量。所述方法包含如下步骤：
1)确定管道或密封件泄漏待检测区域，采用红外热像仪不断拍摄图片直至完全覆盖泄漏检测区域，得到一组对应区域的红外图像，进而得到对应的温度场
2)对所得到的温度场进行温度梯度运算，得到温度梯度：
采用差分方法对所得到的温度场进行温度梯度运算，温度梯度按如下方法计算：
针对i点处的温度梯度，首先取一条穿过该点位置的直线，该直线与水平线的夹角为θ。在该直线上寻找与它前后距离为Δx的两点，根据两点的温度计算该点的梯度：
遍历θ(0-360°)取其中最大的温度梯度值为该点的温度梯度，
其中为温度梯度，Ti为i处的温度值，Δx为该点与前、后两点的距离。
3)不断搜索全场的温度梯度值，找到梯度值最大的位置，即为泄漏位置；
4)利用泄漏率与泄漏孔位置边缘处的温度梯度关系式得到泄漏率，该关系式通过如下方式获得：
根据热传导理论和量纲分析方法，泄漏率与泄漏位置边缘处的温度梯度、泄漏孔的半径以及管道或容器内气体温度与环境温度之差等存在一一对应的关系。通过流体力学、热力学数值模拟分析它们之间的关系，可以得到泄漏率与无量纲参量x的定量关系式；该定量关系式中的系数是由数值模拟结果拟合得到。泄漏率与泄漏位置边缘处的温度梯度关系式如下：
a＝-0.003085b＝-0.004129c＝2.819×10-4d＝-9.959×10-7
其中Q为气体质量流量泄漏率，单位为g/s；为泄漏位置边缘处的温度梯度，r为泄漏孔的半径，T0为环境温度，ΔT为管道或容器内气体温度与环境温度之差，t为管壁厚度，l为导热系数，CP为气体比热容，x为无量纲参量等。
将3)中得到的泄漏孔的半径r、泄漏位置边缘处的温度梯度等带入上述公式，从而得到气体的泄漏率。
高温气体泄漏时，会在泄漏孔位置附近形成特定的温度分布，该温度分布跟材料的热力学参数、几何参数、内外温差及泄漏率等相关。例如，管道流动气体温度为320K，外界为300K空气，管道上有一个半径1mm的泄漏孔。采用数值模拟方法得到沿孔径方向的温度分布，如图2所示。其对应的温度梯度如图3所示，在温度梯度最大值的坐标为气体泄漏孔的位置。

Claims (2)

1.一种高于环境温度的气体泄漏的非接触检测方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
1)确定管道或密封件泄漏的待检测区域，采用红外热像仪不断拍摄直至完全覆盖待检测区域，得到一组待检测区域的红外图像，进而得到对应的温度场；
2)对所得到的温度场进行温度梯度运算，得到温度梯度；
3)不断搜索全场的温度梯度值，找到梯度值对应的最大坐标位置，该位置即为泄漏位置；
4)利用泄漏率与泄漏位置边缘处的温度梯度关系式得到泄漏率：
其中：Q为气体质量流量，也即气体泄漏率，单位为g/s；为泄漏位置边缘处的温度梯度；r为泄漏孔的半径；T0为环境温度，ΔT为管道或容器内气体温度与环境温度之差；t为管壁厚度；l为导热系数；CP为气体比热容；x为无量纲参量；其中系数a＝-0.003085，b＝-0.004129，c＝2.819×10-4，d＝-9.959×10-7。
2.根据权利要求1所述的一种高于环境温度气体泄漏的非接触检测方法，其特征在于，采用差分方法对所得到的温度场进行温度梯度运算。
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