一種高於環境溫度的氣體洩漏的非接觸檢測方法與流程
2023-05-01 04:35:27
本發明涉及一種高於環境溫度氣體的洩漏檢測方法，屬於實驗力學、氣體密封測量領域。
背景技術：
氣體洩漏已成為工業生產、管道運輸的重大安全隱患，快速評估氣體洩漏狀況，進而採取現場應急措施等尤為重要。
在已有熱成像測量氣體洩露的已知方法中，主要利用氣體紅外光譜吸收特徵、洩漏前後的溫度變化等方法探測氣體洩漏情況。但是上述方法有些只對特定氣體適用；有些則需要採集洩漏前後的溫度圖像，存在過程繁瑣、測量周期較長等缺陷；目前，亟需開發簡易、快速的利用非接觸紅外成像原理同時獲得洩漏位置和洩漏率的方法。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種基於紅外熱成像技術、圖像處理及熱傳導理論的高於環境溫度的氣體洩漏的非接觸檢測方法，從而實現對洩露位置的精準定位以及洩漏率的精確測量。
本發明的技術方案如下：一種高於環境溫度氣體洩漏的非接觸檢測方法，其特徵在於所述方法按如下步驟進行：
1)確定管道或密封件洩漏檢測區域，採用紅外熱像儀不斷拍攝圖片直至完全覆蓋洩漏檢測區域，得到一組對應區域的紅外圖像，進而得到對應的溫度場
2)對所得到的溫度場進行溫度梯度運算，得到溫度梯度：
3)不斷搜索全場的溫度梯度值，找到梯度值最大的位置，即為洩漏位置；
4)利用洩漏率與洩漏位置邊緣處的溫度梯度關係式得到洩露率：
a＝-0.003085,b＝-0.004129,c＝2.819×10-4,d＝-9.959×10-7
其中Q為氣體質量流量洩漏率，單位為g/s、為洩漏位置邊緣處的溫度梯度，r為洩露孔的半徑，T0為環境溫度，DT為管道或容器內氣體溫度與環境溫度之差，t為管壁厚度，l為導熱係數，CP為氣體比熱容，x為無量綱參量等。
上述技術方案中，其特徵在於，採用差分方法對所得到的溫度場進行溫度梯度運算。
本發明與現有技術相比，具有以下優點及突出性的技術效果：本發明結合紅外熱成像技術、圖像處理及熱傳導理論，實現了高於環境溫度氣體的洩漏位置和洩漏率的非接觸測量，克服了洩漏率測量的過程繁瑣、測量周期較長、價格高昂等缺點，達到節省費用、簡化流程的目的。同時，本發明不需要改變氣體洩漏時的裝置，對環境條件要求低，能夠載常規方法難以實施的工況下進行測量，比如火災現場、危險氣體洩漏等，對氣體洩露測試技術方面產生革新性的變化。
附圖說明
圖1是高於環境溫度氣體洩漏的非接觸檢測方法原理示意圖。
圖2是氣體洩漏時沿孔徑方向的溫度分布。
圖3是氣體洩漏時沿孔徑方向的溫度梯度值。
圖中：1-含漏孔的管道、容器；2-紅外熱像儀；3-計算機及相關採集處理軟體。
具體實施方式
下面結合附圖進一步說明本發明的具體結構、工作原理、工作過程，但不應以此限制本發明的保護範圍。
圖1是高於環境溫度的氣體洩漏的非接觸檢測方法原理示意圖，圖中包含存在漏孔的管道、容器1、紅外熱像儀2和計算機及相關採集處理軟體3。紅外熱像儀2拍攝待測區域得到溫度圖像，由計算機及相關採集處理軟體3進行存儲、處理。採集處理軟體採用MATLAB語言編寫，可以實現紅外圖像的溫度提取、梯度運算以及洩露位置和洩漏量的計算。
圖2是氣體洩漏時沿孔徑方向的溫度分布，其顯示了氣體洩漏時的溫度特徵。
圖3是氣體洩漏時沿孔徑方向的溫度梯度值，在洩露位置處的溫度梯度值最大。
利用本發明可以實現對高溫氣體洩露位置、洩漏率的同步測量。所述方法包含如下步驟：
1)確定管道或密封件洩漏待檢測區域，採用紅外熱像儀不斷拍攝圖片直至完全覆蓋洩漏檢測區域，得到一組對應區域的紅外圖像，進而得到對應的溫度場
2)對所得到的溫度場進行溫度梯度運算，得到溫度梯度：
採用差分方法對所得到的溫度場進行溫度梯度運算，溫度梯度按如下方法計算：
針對i點處的溫度梯度，首先取一條穿過該點位置的直線，該直線與水平線的夾角為θ。在該直線上尋找與它前後距離為Δx的兩點，根據兩點的溫度計算該點的梯度：
遍歷θ(0-360°)取其中最大的溫度梯度值為該點的溫度梯度,
其中為溫度梯度，Ti為i處的溫度值，Δx為該點與前、後兩點的距離。
3)不斷搜索全場的溫度梯度值，找到梯度值最大的位置，即為洩漏位置；
4)利用洩漏率與洩漏孔位置邊緣處的溫度梯度關係式得到洩露率，該關係式通過如下方式獲得：
根據熱傳導理論和量綱分析方法，洩漏率與洩漏位置邊緣處的溫度梯度、洩露孔的半徑以及管道或容器內氣體溫度與環境溫度之差等存在一一對應的關係。通過流體力學、熱力學數值模擬分析它們之間的關係，可以得到洩露率與無量綱參量x的定量關係式；該定量關係式中的係數是由數值模擬結果擬合得到。洩漏率與洩漏位置邊緣處的溫度梯度關係式如下：
a＝-0.003085 b＝-0.004129 c＝2.819×10-4 d＝-9.959×10-7
其中Q為氣體質量流量洩漏率，單位為g/s；為洩漏位置邊緣處的溫度梯度，r為洩露孔的半徑，T0為環境溫度，DT為管道或容器內氣體溫度與環境溫度之差，t為管壁厚度，l為導熱係數，CP為氣體比熱容，x為無量綱參量等。
將3)中得到的洩露孔的半徑r、洩漏位置邊緣處的溫度梯度等帶入上述公式，從而得到氣體的洩漏率。
高溫氣體洩漏時，會在洩露孔位置附近形成特定的溫度分布，該溫度分布跟材料的熱力學參數、幾何參數、內外溫差及洩漏率等相關。例如，管道流動氣體溫度為320K，外界為300K空氣，管道上有一個半徑1mm的洩露孔。採用數值模擬方法得到沿孔徑方向的溫度分布，如圖2所示。其對應的溫度梯度如圖3所示，在溫度梯度最大值的坐標為氣體洩露孔的位置。