容器及泄漏点温度变化对红外气体泄漏检测的影响的研究

　　0 引言

　　泄漏检测技术的日臻完善， 使工业生产对产品气密性的要求也越来越高。 目前红外热成像技术是最为活跃的研究热点之一。 它具有响应速度快、温度分辨率高、、非接触式测量等优点[1]。 基于红外热像仪的泄漏检测定位系统即是利用红外热成像技术， 采集被测件充气前后的红外图像， 通过图像处理的方法定位泄漏点的位置。 为取得最佳检测效果并提高系统检测效率，其关键在于增大泄漏点与其周围温度场的温差。 通过研究可知充气节流口的直径、 充入被测容器的空气压力及温度会对上述温差造成影响。 因此，针对上述因素做充放气过程实验和空气介质温度实验， 通过理论分析和对比不同检测条件下泄漏点处的红外表现， 探索泄漏点定位效果最好的测试条件和测试方法， 并验证泄漏定位系统的可靠性。

　　1 定容积容腔的充放气特性

　　定容积容腔的充放气过程是与很多因素有关的复杂过程。 作者采用文献[2]中介绍的传热系数简化模型。

　　如图 1 所示：设环境温度为 Ta，节流口处压力、密度、温度分别为 ps，ρs，Ts(假设其保持恒定);容器内部气体压力、体积、温度、质量、能量分别为 p，V，T，m，q;容器的传热系数和有效传热面积分别为 h 和 Sh; 容器与外界交换的热量为 qa;节流口处气体的质量、内能、体积，以及总能量分别表示为 ms，us，Vs，qs。 这里忽略泄漏流动带出的能量部分、 假设介质为理想气体以及容器内压力、温度和密度是均匀的。

　　由节流口处气体的质量流量 Qm=dm/dt， 定容腔内的理想气体状态方程为：

　　根据能量守恒方程和热力学第一定[3]，可得到容器充放气时内部气体的温度特性方程[4]：

　　2 充放气过程实验与结果分析

　　2.1充放气实验

　　实验气动回路图如图 2 所示。

　　来自气源的气体经过冷却处理后， 形成一定压力263~273K 的测试介质 ，此时打开阀 8 和阀 11，经由调速阀 12 以一定速率向被测容腔充气，当压力传感器 15检测到容器内压力基本稳定后，关闭阀 8，打开阀 7，将小量程流量计接入，用于实时检测泄漏量。 热像仪实时记录被测对象的红外图像帧序列， 通过计算机进行处理。 当一个实验周期结束，关闭阀 7 并切换阀 11 状态进行排气。 由于泄漏流动产生的焦耳汤姆逊和传热效应的双重作用， 充气前后漏孔处的温度场变化将被热像仪检测到。

　　2.2实验结果与分析

　　实验的目的在于选取泄漏点与其周围容器壁的温度差 ΔT 达到极值时的红外图像，通过图像处理来诊断泄漏点。 设 T1为泄漏点的温度，在泄漏点周围选取 6 个特征点的温度值 T2~T7，将其平均温度作为泄漏点周围容器壁的温度，则温差 ΔT 可表示为：