專利名稱：一種利用紅外成像技術(shù)檢測密封腔體泄漏的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及密封腔內(nèi)氣體泄漏的檢測方法，特別是一種利用紅外 成像技術(shù)檢測密封腔體泄漏的裝置及方法。
(二)
背景技術(shù)：
密封腔體泄漏檢測的方法多種多樣，例如在被測腔體中充入一定 壓力的氣體(使用空氣作為介質(zhì))，然后通過壓力計(jì)觀察壓力降檢查 是否有泄漏，其優(yōu)點(diǎn)是方法簡單，但由于采用直壓檢測壓力降，分辨 率較低，泄漏量較小時(shí)不易檢測，且檢測結(jié)果受環(huán)境溫度影響較大和 不能確定泄漏點(diǎn)的具體位置。還有一種是差壓檢漏法，即將兩個(gè)完全 相同的被測腔體(其中一個(gè)沒有泄漏)接在差壓壓力計(jì)兩端，然后往 兩個(gè)被測腔體同時(shí)充入一定壓力的氣體，觀察差壓壓力計(jì)兩端壓力差 變化，其優(yōu)點(diǎn)是可以抵消環(huán)境溫度對被測腔體的影響，但是需要一個(gè) 沒有泄漏的被測物，同時(shí)也不能確定泄漏點(diǎn)的具體位置。另外一種方 法是將被測腔體浸入水中通過觀察氣泡檢查是否有泄漏，其優(yōu)點(diǎn)是方 法也較簡單且能知道泄漏點(diǎn)的具體位置，但不易精確計(jì)算泄漏量。其 他的檢測方法還有氦質(zhì)譜檢漏和氫氣檢漏，即通過將氦氣或氫氣以一 定壓力充入被測腔體中，然后利用對氦氣或氫氣的敏感器件檢測是否 有氦氣或氫氣從被測腔體中漏出，其優(yōu)點(diǎn)是檢測精度高，但需要充入 特殊的氣體且成本較高、工藝復(fù)雜。
(三)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對上述存在問題，提供一種方法簡單、成本較 低、檢測誤差小、能迅速準(zhǔn)確測定泄漏點(diǎn)和泄漏量的利用紅外成像技 術(shù)檢測密封腔體泄漏的裝置及方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案
一種利用紅外成像技術(shù)檢測密封腔體泄漏的裝置，由氣源、過濾 器、調(diào)壓閥、電磁闊、壓力傳感器、被測腔體、溫度傳感器A、溫度 傳感器B、紅外熱像儀和控制系統(tǒng)組成，被測腔體有漏孔，氣源、過 濾器、調(diào)壓閥、電磁閥和被測腔體通過管道串聯(lián)連接，壓力傳感器設(shè) 置于電磁閥與被測腔體之間的管路上，被測腔體和控制系統(tǒng)分別設(shè)有用于測量被測腔體腔內(nèi)溫度的溫度傳感器A和測量環(huán)境溫度的溫度
傳感器B，壓力傳感器、溫度傳感器A、溫度傳感器B和紅外熱像儀 通過導(dǎo)線分別與控制系統(tǒng)連接。
所述利用紅外成像技術(shù)檢測密封腔體泄漏的方法為充氣后使被
檢測裝置達(dá)到熱力學(xué)平衡狀態(tài)，即單位時(shí)間內(nèi)漏孔周圍材料釋放給氣 流的熱量與其向周圍大氣吸收的熱量相等，則泄漏點(diǎn)即可通過紅外熱
像儀檢測到的溫度下降的位置來確定；而泄漏量的測量和確定按以下 步驟進(jìn)行
1) 根據(jù)被測物的耐壓范圍，通過氣源、過濾器和調(diào)壓閥向被測
腔體內(nèi)充入壓縮空氣；
2) 根據(jù)所成像大小的要求調(diào)整紅外熱像儀和被測漏孔之間的距 離，為30 50cm;
3) 等待壓力傳感器、溫度傳感器A、 B示數(shù)以及紅外熱像儀上所 顯示漏孔周圍因溫度降低所形成的黑斑區(qū)域形狀穩(wěn)定；
4) 由紅外熱像儀向控制系統(tǒng)傳輸沿著黑斑徑向的溫度分布測量 數(shù)據(jù)；
5) 控制系統(tǒng)根據(jù)上述溫度分布測量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算來確定其泄漏 量并顯示結(jié)果。
本發(fā)明的工作原理當(dāng)被測腔體中充入一定壓力的氣體后，如果 被測腔體有泄漏，由于漏出氣體膨脹吸收了漏點(diǎn)周圍的熱量，使被測 腔體泄漏點(diǎn)周圍的溫度降低，且泄漏量越大則吸收熱量越多，溫度下 降越大；由于紅外成像技術(shù)能夠感知到溫度的微小變化，因此可以容
易地測得泄漏點(diǎn)位置，顏色梯度轉(zhuǎn)化為溫度梯度后可以準(zhǔn)確地得出該 區(qū)域的溫度場。從另外一條獨(dú)立的途徑，泄漏過程的熱模型可以根據(jù) 相關(guān)理論建立，根據(jù)這一模型，只要輸入工藝參數(shù)(被測腔體的厚度、 材料的熱物性參數(shù)、測試壓力的大小、充入被測腔體的氣體介質(zhì)的種 類以及熱物性參數(shù)、材料和周圍環(huán)境溫度)，便可以計(jì)算出該區(qū)域的 溫度場，通過對測量的溫度場和計(jì)算的溫度場進(jìn)行比較可以確定氣體 泄漏量。
泄漏量確定的計(jì)算分析
一、泄漏量理論值的計(jì)算方法1)控制方程
漏孔深即被測腔體的壁厚設(shè)為L、孔徑設(shè)為r,、溫度影響半徑設(shè)
為^、氣體出口的體積漏量為&、溫度為z;、周圍大氣溫度為 ;、被 測腔體初始溫度為 ;、設(shè)定漏孔深方向?yàn)閦向、徑向?yàn)閞向。 以漏孔為控制體，根據(jù)熱力學(xué)第一定律-
G+w+a//+m: = o (l)
^巾
2 = 2;zr! Jf Wr",力—rg(z))cfe (2)
『=^l20。"?！猵0"0) (3) = ^1、/70"0 (r。 - r0) (4)
a￡" = 0.5;^2/70"0(1^-《) (5)
2_單位時(shí)間內(nèi)被測腔體釋放給控制體內(nèi)氣體的熱量
『一 外界對控制體內(nèi)氣體做功功率
a// —單位時(shí)間控制體內(nèi)因?qū)α鬟M(jìn)入的凈熱量
a^—單位時(shí)間控制體內(nèi)氣體動(dòng)能的改變量；
由連續(xù)性方程和氣體狀態(tài)方程
A)"o = PA (6) A"。燈。 (7) A"o燈o (8) 角標(biāo)a的p, u， T， p分別為控制體入口氣體的壓力、流速、溫度和密度； 角標(biāo)0的p， u， T， p分別為控制體出口氣體的壓力、流速、溫度和密度； ^為氣體定壓熱容。
出口流速w。與泄漏量^的關(guān)系為
《v-;r7fwo (9) 由于漏孔深度小，假設(shè)氣體溫度沿著孔深呈線性變化
,=1-^^ (10)
考慮到材料內(nèi)部無熱源，傳熱方程為竹 isr竹 n ,u、
2)邊界條件
與被測腔體內(nèi)氣體(左邊界〉、泄漏氣體(上邊界)、外界大氣相 鄰(右邊界)的被測腔體邊界都設(shè)為對流換熱邊界，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)分
別為&， a， &，大氣溫度為 ;，溫度影響半徑處(下邊界)設(shè)為恒溫 邊界，溫度為7;，材料熱傳導(dǎo)率為;i。艮P:
—"r/3"l左,右-^(r左,右-7;) (12) 一;L3773"l上-; !(r上—r。) (13) V=r , (14)
其中"代表邊界面外法向。 二、泄漏量的計(jì)算
在與測量相同的工藝參數(shù)下，只要有一個(gè)出口漏量^值就可以根
據(jù)以上數(shù)學(xué)模型得到一條漏孔出口壁上的徑向溫度理論分布曲線；每
條理論曲線和測量點(diǎn)線都產(chǎn)生一個(gè)誤差《，所有的誤差中最小值y所
對應(yīng)的漏量^'值就是該條件下的漏量，艮P:
<formula>formula see original document page 6</formula>
計(jì)算值和測量值的誤差規(guī)定如下
<formula>formula see original document page 6</formula>
其中rc-溫度計(jì)算值、re-溫度測量值、m-曲線條數(shù)、每條 曲線上的節(jié)點(diǎn)數(shù)、節(jié)點(diǎn)序號、廣曲線序號。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是該檢測裝置結(jié)構(gòu)簡單、操作容易且成本較低， 檢測方法實(shí)用且檢測誤差小，能夠迅速準(zhǔn)確測定被測腔體的泄漏點(diǎn)和 泄漏量，該檢測裝置及方法適用性強(qiáng)，有廣闊的應(yīng)用前景。

圖1為利用紅外成像技術(shù)檢測密封腔體泄漏的裝置示意圖。 圖中l(wèi).氣源 2.過濾器 3.調(diào)壓閥4.電磁閥5.壓力傳感器 6.被測腔體 7.溫度傳感器A 8.溫度傳感器B 9.紅外熱像儀IO.控制系統(tǒng) 11.漏孔
其中實(shí)線為空氣管路，虛線為電路。
圖2為漏孔漏氣及邊界條件示意圖。
圖3為漏孔剖面溫度場三維示意圖。
圖4為泄漏量的確定示意圖。 具體實(shí)施例方式
實(shí)施例
一種利用紅外成像技術(shù)檢測密封腔體泄漏的裝置，由氣源l、過
濾器2、調(diào)壓閥3、電磁閥4、壓力傳感器5、被測腔體6、溫度傳感 器A7、溫度傳感器B8、紅外熱像儀9和控制系統(tǒng)10組成，被測腔 體6有漏孔11;氣源l、過濾器2、調(diào)壓閥3、電磁閥4和被測腔體 6通過管道串聯(lián)連接，壓力傳感器5設(shè)置于電磁閥4與被測腔體6之 間的管路上，被測腔體6和控制系統(tǒng)10分別設(shè)有溫度傳感器A 7和 溫度傳感器B 8，壓力傳感器5、溫度傳感器A 7、溫度傳感器B 8 和紅外熱像儀9通過導(dǎo)線分別與控制系統(tǒng)10連接。
利用紅外成像技術(shù)檢測密封腔體泄漏的方法為充入空氣一段時(shí) 間以后，使被檢測裝置達(dá)到熱力學(xué)平衡狀態(tài)，即單位時(shí)間內(nèi)漏孔周圍 材料釋放給氣流的熱量與其向周圍大氣吸收的熱量相等，則泄漏點(diǎn)即 可通過紅外熱像儀檢測到的溫度下降的位置來確定；而泄漏量的測量 按以下步驟進(jìn)行
1) 根據(jù)被測物的耐壓范圍，通過氣源、過濾器和調(diào)壓閥向被測 腔體內(nèi)充入壓縮空氣；
2) 根據(jù)所成像大小的要求調(diào)整紅外熱像儀和被測漏孔之間的距 離，為30 50cm;
3) 等待壓力傳感器、溫度傳感器A、 B示數(shù)以及紅外熱像儀上所 顯示漏孔周圍因溫度降低所形成的黑斑區(qū)域形狀穩(wěn)定；
4) 由紅外熱像儀向控制系統(tǒng)傳輸沿著黑斑徑向的溫度分布測量 數(shù)據(jù)；
5) 控制系統(tǒng)根據(jù)上述溫度分布測量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算來確定其泄漏 量并顯示結(jié)果。在該實(shí)施例中，參照圖2、 3、 4，計(jì)算情況如下 計(jì)算參數(shù)為
rm = ra = 293K
& =250『/(m2iO A = 14.9『/(m
r2 = l附附 丄=2m附 /70 =101325/^ / 。 = 303975尸a
在以上工藝參數(shù)、不同氣體漏量下，靠近泄漏點(diǎn)的材料表面徑向 溫度分布的理論數(shù)據(jù)和測量數(shù)據(jù)為
徑向距離
(mm) 對應(yīng)曲
\ 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 線編號
(ml/min)
2.0 292.983292.984292.987292.991292.995 293 Tl
2. 1 292.956292.967292.976292.985292.992 293
T2
2.2 292.921292.941292.959292.974292.987 293
T3
2.3 292.883292.914292.940292.962292.982 293
T4
2.4 292.847292.888292.922292.952292.977 293 T5
2.5 292.822292.872292.912292.945292.974 293
T6
未知 292.89 292.92 292.93 292.恥 292.98 292.99 點(diǎn)線在上表中，取泄漏量從2. 0 2. 5ml/min下的材料表面徑向溫度 分布理論計(jì)算值，其中"未知"所在行表示待測漏量下的溫度分布測 量值。計(jì)算結(jié)果表明漏量越大，溫度分布值越低，并且漏量和溫度分 布是一一對應(yīng)的 一個(gè)漏量對應(yīng)著唯一一個(gè)溫度分布，反過來， 一個(gè) 溫度分布對應(yīng)著唯一一個(gè)漏量，這是實(shí)現(xiàn)紅外測漏量功能的重要依 據(jù)。下面根據(jù)(15)、 (16)式確定漏量，計(jì)算每一個(gè)漏量下，溫度分布 計(jì)算值與測量值的誤差(即圖4曲線T1 T6與測量點(diǎn)線間的誤差):《=(|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<52=(|292.956 - 292.89 |+ |292.967 - 292.92|+| 292.976- 292.93|+ |292.985 - 292.96| + I 292.992- 292.98 |+ |293 - 292.99|)/6=0.034292.921-292.89 |+ | 292.941-292.92|+| 292.959- 292.93|+ | 292.974-292.96| + |292.987-292.98 |+ |293 - 292.99|)/6=0.019&=(|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《=(| 292.847-292.89 |+ | 292.888-292.92|+|292.922-292.93|+ |292.952-292.96| + |292.977國292.98 |+ |293 - 292.99|)/6=0.017292.822- 292.89 |+ | 292.872- 292.92|+|292.912- 292.93|+ !292.945- 292.96| + |292.974- 292.98 |+ |293 - 292.99|)/6=0.028由上述計(jì)算可知《最小(對應(yīng)地，由圖4可知T4和測量點(diǎn)線最為接 近)，因此可以確定該泄漏量為2.3ml/min。9
權(quán)利要求
1.一種利用紅外成像技術(shù)檢測密封腔體泄漏的裝置，其特征在于由氣源、過濾器、調(diào)壓閥、電磁閥、壓力傳感器、被測腔體、溫度傳感器A、溫度傳感器B、紅外熱像儀和控制系統(tǒng)組成，被測腔體有漏孔，氣源、過濾器、調(diào)壓閥、電磁閥和被測腔體通過管道串聯(lián)連接，壓力傳感器設(shè)置于電磁閥與被測腔體之間的管路上，被測腔體和控制系統(tǒng)分別設(shè)有用于測量被測腔體腔內(nèi)溫度的溫度傳感器A和測量環(huán)境溫度的溫度傳感器B，壓力傳感器、溫度傳感器A、溫度傳感器B和紅外熱像儀通過導(dǎo)線分別與控制系統(tǒng)連接。
2. —種如權(quán)利要求1所述利用紅外成像技術(shù)檢測密封腔體泄漏 的裝置的檢測方法，其特征在于充氣后使被檢測裝置達(dá)到熱力學(xué)平 衡狀態(tài)，即單位時(shí)間內(nèi)漏孔周圍材料釋放給氣流的熱量與其向周圍大 氣吸收的熱量相等，則泄漏點(diǎn)即可通過紅外熱像儀檢測到的溫度下降 的位置來確定；而泄漏量的測量和確定按以下步驟進(jìn)行1) 根據(jù)被測物的耐壓范圍，通過氣源、過濾器和調(diào)壓閥向被測 腔體內(nèi)充入壓縮空氣；2) 根據(jù)所成像大小的要求調(diào)整紅外熱像儀和被測漏孔之間的距 離，為30 50cm;3) 等待壓力傳感器、溫度傳感器A、 B示數(shù)以及紅外熱像儀上所 顯示漏孔周圍因溫度降低所形成的黑斑區(qū)域形狀穩(wěn)定；4) 由紅外熱像儀向控制系統(tǒng)傳輸沿著黑斑徑向的溫度分布測量、K r-iTT數(shù)據(jù)；5) 控制系統(tǒng)根據(jù)上述溫度分布測量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算來確定其泄漏 量并顯示結(jié)果。
全文摘要
一種利用紅外成像技術(shù)檢測密封腔體泄漏的裝置，由氣源、過濾器、調(diào)壓閥、電磁閥、壓力傳感器、溫度傳感器、紅外熱像儀和控制系統(tǒng)組成，壓力傳感器、溫度傳感器和紅外熱像儀通過導(dǎo)線分別與控制系統(tǒng)連接。利用該裝置檢測密封腔體泄漏的方法充氣后使被檢測裝置達(dá)到熱力學(xué)平衡狀態(tài)，即單位時(shí)間內(nèi)漏孔周圍材料釋放給氣流的熱量與其向周圍大氣吸收的熱量相等，則泄漏點(diǎn)即可通過紅外熱像儀檢測到的溫度下降的位置來確定；而泄漏量則通過控制系統(tǒng)內(nèi)的計(jì)算機(jī)計(jì)算確定。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是該檢測裝置結(jié)構(gòu)簡單、操作容易且成本較低，檢測方法實(shí)用且檢測誤差小，能夠迅速準(zhǔn)確測定被測腔體的泄漏點(diǎn)和泄漏量，該檢測裝置及方法適用性強(qiáng)，有廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號G01M3/04GK101592544SQ20091006945
公開日2009年12月2日 申請日期2009年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月26日
發(fā)明者陳乃克 申請人:博益(天津)氣動(dòng)技術(shù)研究所有限公司