基於紅外成像技術的洩漏檢測定位方法及系統的製作方法

2023-06-23 07:50:21 2

專利名稱：基於紅外成像技術的洩漏檢測定位方法及系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種洩漏檢測定位方法及其設備，尤其是一種以低溫壓力氣體 作為檢漏介質、利用紅外成像裝置對被測對象進行成像的洩漏檢測定位方法及 系統，屬於檢測技術領域。
背景技術：
當今社會科學技術迅猛發展，市場對產品的需求呈現出多樣性、複雜性的 特點，競爭也愈加激烈。對具有容器性質的對象來說，其密封性能的好壞直接 決定了產品的質量。如果使用了洩漏量超過允許範圍的不合格品，不僅其功能 會受到影響，嚴重時還有可能導致火災、爆炸、有害氣體溢出等嚴重後果。伴 隨著洩漏檢測技術的日臻完善，工業生產對設備氣密性的要求也越來越高，因 此，除了設計和加工過程中應採取有效措施消除洩漏隱患外，在設備的生產、 組裝、調試以及使用過程中，還需要運用有效的檢漏手段，將不允許存在的漏 孔找出來，以便進行修補。目前對於氣體洩漏點定位的研究多集中在長距離石油、天然氣輸送管線方 面，而對於非管道類對象的氣密性檢測定位通常釆用以下三種辦法1、在傳統 氣泡檢測法中人工觀測氣泡位置確定洩漏點；2、利用氦氣或滷素氣體作為示蹤 氣體，根據氦質譜檢測、滷素檢測原理利用手持探頭進行洩漏點定位；3、在超 聲波洩漏檢測中利用超聲波定向探頭檢測洩漏點位置。其中，方法l、 2受檢測 原理所限，存在著效率低下、無法在線診斷等缺點。而方法3隻有在洩漏孔較 大並且流過氣體為湍流時才可以採用，且容易受到噪聲幹擾。眾多的工業生產 過程迫切需要一種更加高效、可靠的洩漏檢測定位方案，以解決上述相關技術 中的問題。發明內容本發明的目的是針對現有技術的不足，提供一種基於紅外成像技術的洩漏 檢測定位方法及系統，可以用於各種具有容器性質被測對象的洩漏檢測，能夠自動、快速、準確地實現洩漏非接觸式測量以及洩漏點定位，有效提高檢測效 率。本發明的目的是通過下述技術方案實現的。本發明提供了基於紅外成像技術的洩漏檢測定位方法，包括以下步驟步 驟一，在預定位置處採集被測對象的紅外圖像，並將其存儲為預先存儲的紅外 圖像；步驟二，對所述被測對象充入冷卻測試介質；步驟三，再次採集所述被 測對象的紅外圖像，並將採集到的紅外圖像與所述預先存儲的紅外圖像進行比 較，或者對連續採集到的所述被測對象不同時刻的多幀紅外圖像進行比較；步 驟四，根據所述比較的結果確定所述被測對象是否洩漏；步驟五，如果檢測到 所述被測對象洩漏，則定位洩漏點。 步驟三還包括以下步驟一、 以預定大小為"—"2的像素窗口分別對採集到的所述紅外圖像和所述預 先存儲的紅外圖像進行遍歷掃描；或者以預定大小為"'x"2的像素窗口對連續釆 集到的所述多幀紅外圖像進行遍歷掃描；二、 計算掃描所述紅外圖像得到的基於"'X"2像素窗口局部熵的熵值矩陣 /^C"""2)，並計算掃描所述預先存儲的紅外圖像得到的基於"'X"2像素窗口局部熵 的 熵 值 矩 陣w"("""》，其 中M '=1 "1 ， 為圖像中像素點的灰度值；或者計算掃描所述多幀紅外圖像得到的基於"lX"2像素窗口局部熵的W個熵 , 、 h。 = -ll>,, i。g2 & 巧=m力/IZ瓜力值矩陣 "("""2)，其中 ， /=| ， a=l..m，六")為圖像中("')像素點的灰度值；三、 計算w々'，"2)與仏("""2)的熵差矩陣^"/("i，"2)叫仏—w/1，或者計算" 取不同值時多個^"("""2)的熵差矩陣a^("""2)-H—^1， =1."m， °^L'.m。本發明的基於紅外成像技術的洩漏檢測定位系統，用於實現權利要求1所 述的洩漏檢測定位方法，包括氣壓源、截止閥、氣動三聯件、精密減壓閥、 壓力表、冷卻裝置、電磁閥、流量計、消音器、調速閥、壓力傳感器依次由管 路串接構成，以及絕熱材料、溫度傳感器、紅外成像裝置、控制裝置；其中， 冷卻裝置受控制裝置的控制；控制裝置由檢測輸入電路、控制輸出電路和計算 裝置構成，用於控制所述檢測步驟、冷卻裝置和所述紅外成像裝置的運行，並 對採集到的所述被測對象的紅外圖像進行處理以確定是否洩漏，如發生洩漏則 進行洩漏點定位；流量計、壓力傳感器、溫度傳感器與控制裝置的檢測輸入電路連接，而控制裝置的控制信號通過控制輸出電路與電磁閥做電控制連接。所述基於紅外成像技術的洩漏檢測定位系統，在被測對象之前的氣動迴路 中，包含有用於對氣體介質進行冷卻的冷卻裝置，該冷卻裝置可以進行溫度顯 示與控制。所述基於紅外成像技術的洩漏檢測定位系統，包括紅外成像裝置，用於 採集被測對象的紅外圖像，並由控制裝置通過圖像處理的方式進行洩漏判斷、 洩漏量計算以及洩漏點定位。基於紅外成像技術的洩漏檢測定位系統中的控制裝置，包括-存儲模塊，用於存儲由所述紅外成像裝置採集到的所述被測對象的紅外圖 像，以及預先存儲未充入所述冷卻測試介質時的所述被測對象的紅外圖像；掃描模塊，用於以預定像素窗口分別對採集到的所述紅外圖像以及所述預先存儲的紅外圖像或者所述多幀紅外圖像進行遍歷掃描；計算模塊，用於根據權利要求2所述步驟對紅外圖像進行計算；比較模塊，用於根據權利要求3所述步驟和權利要求4所述步驟完成對紅外圖像的比較。存儲模塊將所存儲的所述紅外圖像傳送至掃描模塊，掃描模塊根據預定規 則對紅外圖像進行掃描並將掃描結果傳輸至計算模塊，計算模塊依據權利要求1 所述方法對紅外圖像進行處理並將結果數據輸出至比較模塊，比較模塊再根據 預定閾值對洩漏情況進行判斷，得出檢測結論。本發明的檢測方法基本原理如下 (1)氣體動力學分析。根據焦耳-湯姆遜效應可知，壓縮氣體通過節流孔的絕熱膨脹過程會產生吸熱現象，利用氣體通過節流小孔流動模擬密閉容腔內 的氣體發生洩漏的情況，類比亞聲速流狀態的收縮噴嘴流速計算公式進行分析， 這樣的假設對於只作精度不高的定量分析時是合理的，最終的洩漏點定位，漏 孔尺寸辨識乃至洩漏量判斷主要通過紅外成像技術實現。假定氣體為理想氣體，在收縮噴嘴中氣流的速度遠大於氣體與外界進行熱 交換的速度，氣體流過噴嘴時的能量損失遠小於它具有的總能量，可以忽略。 因此，噴嘴中的流動可視為等熵流動。即滿足氣體絕熱可逆過程。假設容腔內 部空氣流動速度遠小於洩漏孔處氣流速度，因此可設容腔內的氣體參數為滯止參數A，p。，:r。，"。且均保持不變，假定容腔外部空氣中的氣體參數為P，A:r，"，洩漏 孔有效截面積為力，出口截面的氣體參數為A，^A，"s其中，^為氣體密度，p 為氣體壓強，r為氣體溫度，"為聲速。當洩漏孔處氣體流動狀態為亞音速流時， 將容腔內部空氣的滯止參數和洩漏孔出口截面的參數代入等熵流動運動方程， 即可得到出口截面的流速為其中，絕熱指數* = 1-4，氣體常數h。—e,287'1"7"^'", A'"。因為等熵過 程，所以A^。("。1 根據連續性方程，體積流量和質量流量分別為"=^，仏=^^， ^為節流小孔流通截面積，所以推導由洩漏流動產生的溫差如下氣密性檢測過程中，通常情況下通過洩漏孔的氣體流動為亞音速流，因此， 可以依據上式求出洩漏孔處的瞬時溫度變化與洩漏量之間的關係，進而利用紅 外成像裝置進行採集。以上分析中，將洩漏孔簡化為收縮噴嘴，做了較大的近 似，實際應用時應結合實驗數據對結果進行修正。(2)傳熱學分析。由於本發明採用主動冷卻的方式對氣體測試介質進行降溫，因此在從氣體動力學角度分析洩漏流量對被測對象溫度場影響的同時還應考慮熱對流與熱傳 導，最終由洩漏導致的充氣前後被測件漏孔溫度差等效為二者的疊加。本發明 利用有限元方法對洩漏發生時的穩態傳熱過程進行分析。通常情況下，由於被測對象周圍沒有高溫物體，因此忽略輻射換熱作用。 取被測件上包含洩漏點處相鄰的第k和第k+l個面元，其大小遠小於漏孔直徑， 熱交換示意圖如圖5所示。分別考慮熱對流和熱傳導，其中，"為當第k個面 元與洩漏孔相連時，洩漏流動(屬對流換熱)從面元k帶走的熱量。設^為導熱 率，^與^'分別為面元k和相鄰面元k+l的溫度，《"'為傳導截面積，、"'為 有效導熱距離。因此，面元k與相鄰面元k+l之間的熱傳導可以表示為由於面元k同時與n個面元相連，因此，面元k與它們之間熱傳導之和可以表示為面元的對流傳熱包含兩部分外表面與外界常溫空氣的對流換熱以及內表 面與低溫壓縮空氣的對流換熱，根據牛頓定律，令面元k的面積為^，溫度為^， 則對流換熱可以表示為內表面Co"vec"°"'we = (71 一 。夕卜表面Cowe"/o"。'"《*=4"。(k—其中，T為被測件容腔內部低溫壓縮空氣的溫度，^為工件外部空氣溫度， "為對流換熱係數。由於被測件內、外表面進行的均為自然對流，因此"'和"。為 常數。綜上所述，可得面元k的熱交換穩態平衡方程Z^^d - 。+4", (K - T)+ 。 ( ； - r。 )+& = 0其中，不與洩漏孔相連的面元存在邊界條件&=。聯立所有面元的熱交換 平衡方程，可以得到被測對象溫度場分布的穩態熱平衡方程組，這就為通過紅 外成像技術進行洩漏檢測及定位建立了理論依據。本發明的有益效果① 採用本發明所提供的方法和系統進行洩漏檢測及定位，有效解決了傳統 氣泡檢測法必須浸水檢驗的缺點，同時克服了人工觀測洩漏位置帶來的檢驗標 準不統一、誤報率高等問題。② 相對於質譜檢測，由於本發明可以通過圖像處理方式自動對洩漏點進行査找和診斷，並能夠完成洩漏量的實時計算，更加符合工業領域在線檢測的需 求。③相對於超聲波洩漏檢測定位方法，本發明可以更加高效、準確地定位洩 漏點而不受洩漏流動是否為湍流的制約，同時抗幹擾性能也大大優於前者。本發明檢測方法具有高精度、高效率、自動分析等優點，檢測系統操作簡 便、抗幹擾能力強，可廣泛用於工業生產過程中具有容器性質被測對象的密封 性檢測領域。由此可見，本發明與現有技術相比，具有突出的實質性特點和顯著的進步。


此處所說明的附圖用來提供對本發明的進一步理解，構成本申請的一部分， 本發明的示意性實施例及其說明用於解釋本發明，並不構成對本發明的不當限 定。在附圖中圖1為本發明基於紅外成像技術洩漏檢測定位系統的氣動迴路示意圖； 圖2為本發明基於紅外成像技術洩漏檢測定位方法的主流程圖； 圖3為本發明基於紅外成像技術洩漏檢測定位系統控制裝置中圖像處理軟 件的主流程圖；圖4為本發明基於紅外成像技術洩漏檢測定位方法的傳熱學分析示意圖；圖5為本發明基於紅外成像技術洩漏檢測定位系統對一典型被測對象進行 充氣前，紅外成像裝置採集到的被測對象紅外圖像；圖6為本發明基於紅外成像技術洩漏檢測定位系統對如圖5所述典型被測 對象充氣達到穩定狀態時，紅外成像裝置採集到的被測對象紅外圖像；圖7為圖5所述紅外圖像的基於SxS像素窗口局部熵的熵值矩陣；圖8為圖6所述紅外圖像的基於SxS像素窗口局部熵的熵值矩陣； 圖9為圖7與圖8的熵差矩陣；圖中，l一氣壓源、2—截止閥、3—氣動三聯件、4一精密減壓閥、5—壓力 表、6—冷卻裝置、7、 8、 11—電磁閥、9一流量計、10—消音器、12—調速閥、 13—壓力傳感器，14一絕熱材料、15—溫度傳感器、16—紅外成像裝置、17— 控制裝置。
具體實施方式
下面將結合附圖來詳細說明本發明的實施例。如圖l、圖2所示，本發明的一種基於紅外成像技術的洩漏檢測定位方法， 首先設定測試壓力，並採用冷卻裝置對一定壓力的氣體進行冷卻作為測試介質， 目標溫度預先設定在冷卻裝置中。通過控制裝置驅動各閥門對被測對象進行充 氣完成時序控制，由傳感裝置檢測系統狀態，利用紅外成像裝置對被測對象的 紅外圖像進行採集，紅外圖像傳輸至控制裝置並經過一系列圖像處理操作用於 分析、計算洩漏量以及進行洩漏點定位，檢測結果顯示在顯示裝置上。測試完 畢後控制裝置切換閥門狀態，對被測對象進行排氣，完成一個測試循環。利用上述的洩漏檢測定位方法，本發明提供了基於紅外成像技術的洩漏檢 測定位系統，其氣動迴路如圖l所示。主要設備包括氣壓源l、截止閥2、氣動三聯件3、精密減壓閥4、壓力表5、冷卻裝置6、電磁閥7、 8、 11、流量計 9、消音器IO、調速閥12、壓力傳感器13，它們依次由管路串接構成，其中， 冷卻裝置6後端至被測件前端管路由絕熱材料14裹覆。其控制裝置17由檢測 輸入電路、控制輸出電路和計算裝置構成。其紅外成像裝置16由控制裝置17 進行控制，完成對被測對象A的紅外圖像釆集。流量計9、壓力傳感器13、溫 度傳感器15與控制裝置的檢測輸入電路連接，而控制裝置的控制信號通過控制 輸出電路與電磁閥7、 8、 ll做電控制連接。此外，控制裝置中裝有能自動進行 洩漏量計算以及洩漏點定位的軟體。這裡提供一種通過計算檢測過程中多幀紅外圖像熵差的方法確定洩漏點位 置的實施例，軟體工作流程如圖3所示。首先選取一幅被測件充氣達到穩定後 的紅外圖像F,大小為^x7V像素，如圖6所示，其次利用"'x"2像素的窗口 A對 F進行遍歷掃描，之後計算出基於窗口 A的圖像F熵值矩陣為W/("" )如圖8所 示。與非充氣狀態下被測件紅外圖像(圖5)的熵值矩陣仏"，"2)(圖7)作差， 差值矩陣為AF /("1'"2) = l仏—~1 ，最後利用熵差矩陣A//"/("""2)來檢測洩漏並進 行洩漏點定位，如圖9所示。基於多幀紅外圖像熵差的洩漏檢測定位策略如下-1、如果兩幅紅外圖像匹配的很好，局部熵差陣A/Z幅值很小且矩陣內元素 的均方差也很小，則A^僅表徵了兩幅圖像釆集間隔中隨機噪聲的差異，因此可 以推斷被測對象沒有發生洩漏；2、 如果被測對象發生了洩漏，則在洩漏點附近，局部熵差陣A/Z會有一個 或多個奇異區域，設定閾值^，判別當A^("""2)〉^時，被測對象發生了洩漏。 同時，熵差陣A^幅值的大小還為洩漏量的辨識提供了一套評判標準。3、 通過對局部熵差陣^"/("'，"2)>< 區域對應的坐標值進行反向映射，即可 得到被測對象洩漏點位置。通過上述實施例可以看出，本發明結構簡單、實用性強可以用於各種具有 容器性質被測對象的洩漏檢測中，能夠自動、快速、準確地實現洩漏非接觸式 測量以及洩漏點定位，有效提高了檢測效率。以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領 域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則 之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之 內。
權利要求
1. 基於紅外成像技術的洩漏檢測定位方法，其特徵在於包括以下步驟步驟一，在預定位置處採集被測對象的紅外圖像，並將其存儲為預先存儲的紅外圖像；步驟二，對所述被測對象充入冷卻測試介質；步驟三，再次採集所述被測對象的紅外圖像，並將採集到的紅外圖像與所述預先存儲的紅外圖像進行比較，或者對連續採集到的所述被測對象不同時刻的多幀紅外圖像進行比較；步驟四，根據所述比較的結果確定所述被測對象是否洩漏；步驟五，如果檢測到所述被測對象洩漏，則定位洩漏點。
2、 根據權利要求1所述步驟三，其特徵在於還包括以下步驟① 、以預定大小為",x"2的像素窗口分別對採集到的所述紅外圖像和所述預 先存儲的紅外圖像進行遍歷掃描；或者以預定大小為"^"2的像素窗口對連續採集到的所述多幀紅外圖像進 行遍歷掃描；② 、計算掃描所述紅外圖像得到的基於",x"2像素窗口局部熵的熵值矩陣//,(W,，"2)，並計算掃描所述預先存儲的紅外圖像得到的基於",X"2像素窗口局部 熵 的 熵 值 矩 陣 ^(",，"2) ， 其 中a=-ti>yiog2jPv, ^ =/(/,/>/tl;/(/,/)， "/,"，/(/,力為圖像中(/,力像素點的灰度值；或者計算掃描所述多幀紅外圖像得到的基於"'x"2像素窗口局部熵的m個熵值矩陣&("""2)，其中^ =-|;|>yiog2Py， &=/(")/|;|;/(/，/)， "=1...附，'=1 .H '=1 乂=1/(/,力為圖像中(i，刀像素點的灰度值；③ 、計算///("1,"2)與^("1,"2)的熵差矩陣^ /("1,"2) = |// -或者計算" 取不同值時多個^(",，"2)的熵差矩陣厶//"(",，"2)—//。1-&2|， a, -I...m， "2 =l...m。
3、 根據權利要求2所述步驟三，其特徵在於還包括以下步驟當/^,(",，"2)^/^-//,l或"2) = |//。， -//J矩陣中某一區域元素數值大於預定閾值時，判定所述被測對象發生了洩漏，否則就判定所述被測對象未發 生洩漏。
4、 根據權利要求3所述步驟，其特徵在於還包括以下步驟對(",,"2) = - //,I或A//a ("，,"2) = - //。2 J大於所述預定閾值的區域進 行反向映射計算，求出其對應的坐標值以確定所述洩漏點位置。
5、 基於紅外成像技術的洩漏檢測定位系統，用於實現權利要求l所述的洩 漏檢測定位方法，其特徵在於包括氣壓源(1)、截止閥(2)、氣動三聯件(3)、精密減壓閥(4)、壓力表(5)、冷卻裝置(6)、電磁閥(7)、 (8)、 (11)、流量 計(9)、消音器(10)、調速閥(12)、壓力傳感器(13)依次由管路串接構成， 以及絕熱材料(14)、溫度傳感器(15)、紅外成像裝置(16)、控制裝置(17); 其中，冷卻裝置(6)受控制裝置(17)的控制；控制裝置(17)由檢測輸入電 路、控制輸出電路和計算裝置構成，用於控制所述檢測步驟、冷卻裝置和所述 紅外成像裝置的運行，並對採集到的所述被測對象的紅外圖像進行處理以確定 是否洩漏，如發生洩漏則進行洩漏點定位；流量計(9)、壓力傳感器(13)、溫 度傳感器(15)與控制裝置的檢測輸入電路連接，而控制裝置的控制信號通過 控制輸出電路與電磁閥(7)、 (8)、 (11)做電控制連接。
6、 根據權利要求5所述的基於紅外成像技術的洩漏檢測定位系統，其特徵 在於在所述被測對象之前的氣動迴路中，包含有用於對氣體介質進行冷卻的 冷卻裝置，該冷卻裝置可以進行溫度顯示與控制。
7、 根據權利要求5所述的基於紅外成像技術的洩漏檢測定位系統，其特徵 在於包括紅外成像裝置，用於採集被測對象的紅外圖像，並由控制裝置通過 圖像處理的方式進行洩漏判斷、洩漏量計算以及洩漏點定位。
8、 根據權利要求5所述的基於紅外成像技術的洩漏檢測定位系統中的控制裝置，其特徵在於包括存儲模塊，用於存儲由所述紅外成像裝置採集到的所述被測對象的紅外圖像，以及預先存儲未充入所述冷卻測試介質時的所述被測對象的紅外圖像；掃描模塊，用於以預定像素窗口分別對採集到的所述紅外圖像以及所述預先存儲的紅外圖像或者所述多幀紅外圖像進行遍歷掃描；計算模塊，用於根據權利要求2所述步驟對紅外圖像進行計算；比較模塊，用於根據權利要求3所述步驟和權利要求4所述步驟完成對紅外圖像的比較，存儲模塊將所存儲的所述紅外圖像傳送至掃描模塊，掃描模塊根據預定規 則對紅外圖像進行掃描並將掃描結果傳輸至計算模塊，計算模塊依據權利要求1 所述方法對紅外圖像進行處理並將結果數據輸出至比較模塊，比較模塊再根據 預定閾值對洩漏情況進行判斷，得出檢測結論。
全文摘要
本發明涉及一種基於紅外成像技術的洩漏檢測定位方法及系統，屬於檢測技術領域。本發明的洩漏檢測定位系統包含控制、紅外成像、冷卻、傳感、充氣和顯示裝置組成。採用冷卻裝置對一定壓力的氣體進行冷卻作為測試介質，通過控制裝置驅動各閥門對被測對象進行充氣完成時序控制，由傳感裝置檢測系統狀態，利用紅外成像裝置對被測對象的紅外圖像進行採集，紅外圖像傳輸至控制裝置並經過一系列圖像處理操作用於分析、計算洩漏量以及進行洩漏點定位，檢測結果顯示在顯示裝置上。本發明具有檢測精度高、洩漏點定位效率高、抗幹擾能力強、非接觸式自動測量的優點。
文檔編號G01M3/02GK101281079SQ20081010635
公開日2008年10月8日 申請日期2008年5月12日 優先權日2008年5月12日
發明者彭光正, 楠 葛 申請人:北京理工大學