基于热红外的真空绝热板真空度检测研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)厦门大学机电工程系 作者:王少杰

  真空绝热板(VIP)主要是依靠其内部真空度来提高其绝热性能的,由于导热系数是表征真空绝热板绝热性能最重要的物性参数,准确测量出真空绝热板的导热系数,有助于将真空绝热板应用于需要绝热保温的场合并估算出其热负荷情况,为系统选择制冷设备或加热设备提供依据。在对真空绝热板真空度检测技术的研究中,本文致力于研究一种基于热红外技术的真空绝热板真空度检测方法,主要采用埋入热辐射器件、能量由外部无损耦合提供、使用红外热图像处理技术并结合电路控制系统等实现对真空绝热板的真空度检测。实验表明,红外检测技术用于测量真空度是可行的、检测速度快、检测结果可靠;对热红外检测技术的研究有利于推动国内真空度快速检测技术的发展。

  当今世界能源危机日趋严重,能源成本日益高涨,节能减排已成为全世界共同面临的课题。真空绝热板(VIP)是一种先进的高效节能产品,是基于真空绝热原理制成,通过最大限度提高板内真空度并填充以芯层绝热材料而实现隔绝热传导,从而达到保温、节能的目的。但VIP的性能检测是一个难题,其性能好坏取决于其板内的真空度的高低。由于VIP不能开孔,真空腔狭窄,普通的检测技术方法不能使用,因此必须通过某种特殊的检测技术方法才能对VIP的性能进行鉴定,从而保证生产的VIP产品满足质量要求。

  中国对VIP检测技术的研究处于刚起步状态,主要采用大平板热保护法及其原理研发VIP导热系数的测试装置。这种装置是基于一维稳态导热,采用热流量的方式计算出VIP的导热系数,虽然测试精度高,但稳定时间长,测量周期长。中国研发这类测试装置主要有北京时代新天科贸有限公司研发的TPMBE平板导热仪(导热系数测定仪)和上海海事大学设计的双室热保护法测定VIP导热系数的测试装置等。

  国外检测技术主要分两种:常规检测和快速检测方法。常规检测方法是通过测量导热系数值来衡量VIP的真空泄漏度和绝热效果,其导热系数测量方法采用国际上通用的热流计法。如日本EKO公司生产的HC-074系列热流法导热系数测量仪,是测量绝热材料导热系数最先进和最容易使用的仪器。相对于常规检测,快速检测明显具有很大优势和市场。如日本EKO公司推出了HC-120系列VIP快速检测仪,检测VIP真空度的时间只需6min。法国塞塔拉姆仪器公司生产的VIP快速无损热检测装置-TCI导热系数仪,其检测速度快,且可以进行无损热检测。相对常规检测,快速检测的优点是检测速度快,但该检测成本高。

  由于中国对VIP的检测技术研究比较晚,发展还不够成熟,因此目前中国主要采用传统的检测技术或是向国外公司进口快速检测仪器对VIP进行性能检测。若采用传统检测技术方法对VIP进行性能检测,虽然检测精度较高,但是其检测方法慢,平均测试一块板需要45min,而且随着VIP板的厚度增加,其检测时间越长,因此采用传统的检测技术效率低,需要消耗大量的时间,严重影响了生产效率。

  为了提高中国VIP的检测速度,本文致力于探索应用红外热图像处理技术来研究一种新型的真空绝热板的快速检测方法,检测范围为0~120Pa,检测时间大约需3min,未进行精确标定前检测误差在10%以内。该方法采用红外热成像的原理,通过在VIP内埋入热辐射器件、能量由外部无损耦合,对板内不同气压下的VIP红外热图像进行检测、处理和分析计算,得到红外热图像灰度变化与VIP内部气压的线性比例关系,进而检测出VIP的真空度。

1、VIP检测原理

  红外图像的成像机理是通过将红外探测器接收到的场景(包括其中的动态目标,静态目标以及背景)的红外辐射映射成灰度值,转化为红外图像,场景中的某一部分的辐射强度越大,反映在图像中的这一部分的灰度值越高,也就越亮。

  在红外辐射的分析计算中,通量密度是表示黑体辐射能力的物理量。Stefan-Boltzmann定律给出了黑体的通量密度与热力学温度之间的关系,即

黑体的通量密度与热力学温度之间的关系

  式中,W为单位黑体面积所发射的功率,即辐射通量密度;σ为Stefan-Boltzmann常数,也称黑体辐射常数,其值为5.67×10-8 W/m2K4;T为热力学温度。由Stefan-Boltzmann定律可知,黑体辐射通量密度将随温度的升高而急剧增大。由红外热成像机理可知,红外探测器接收到场的辐射强度越大,反映在图像中的灰度值越高,图像也就越亮。由于VIP内部芯材的导热系数随板内气压的变化而变化,根据ASTMC1484-01标准规定,VIP的导热系数大于11.5mW/(m·K)被认为失效,如图1所示。由图1可知,VIP的导热系数随板内压力的增加而增大,当板内压力大于50Pa时随板内压力升高,导热系数急剧增加,当板内气压大于100Pa的时候,VIP基本属于失效范围。

VIP的导热系数与板内气压之间的关系曲线

图1 VIP的导热系数与板内气压之间的关系曲线

  基于红外热图像处理的VIP真空度检测的主要原理:

  (1)电阻在VIP内部的有3种换热方式:传导、对流、辐射。VIP内气压很低,基本没有空气流动;电阻和VIP芯材紧密接触,电阻在VIP内部对流换热不是主导换热;因此VIP的主导换热是辐射。电阻与周围辐射换热可由式(2)计算[10],电阻导热换热可由式(3)计算。

基于热红外的真空绝热板真空度检测研究

  式中T1,T2分别为电阻温度和环境温度,ε为电阻发射率,A为电阻表面积,σ为Stefan-Boltzmann常数,λ为VIP芯材导热系数,δ为电阻在VIP内部的深度,与其在真空绝热板的内部位置有关。

  (2)在相同环境、相同电阻以及电阻在VIP埋入位置相同的条件下,由于真空绝热板内部压力不同,其导热系数也不同,因此电阻在VIP内部的散热速度不同,其周围的温度热场变化速度也将不同。检测系统根据这个特征现象,利用红外传感器检测VIP内部电阻及其周围的热辐射强度变化,将热辐射强度变化转化为灰度图像,利用采集卡将灰度图像传送到PC机上,再进行一系列图像处理、算法分析,最终计算得出VIP内的真空度。

  结论

  本文对基于红外热图像处理的真空隔热板真空度检测方法进行探索性研究,采用红外热图像处理技术,通过大量实验工作和数据分析,验了热红外检测方法的可行性,取得一定的成果。实验过程中知道VIP板内像素平均灰度值变化率与板内气压可以近似为线性关系,这种近似线性关系导致检测结果必然存在一定误差,而为了消除这个误差,需要大量的数据进行多次拟合,然后进行精确的标定。我们期待对热红外检测技术的进一步研究,最终能使该检测方法产业化,推动国内真空度快速检测技术的发展。

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