熱紅外的真空絕熱板真空度檢測分析

熱紅外的真空絕熱板真空度檢測分析真空絕熱板(VIP)主要是依靠其內(nèi)部真空度來提高其絕熱性能的，由于導(dǎo)熱系數(shù)是表征真空絕熱板絕熱性能最重要的物性參數(shù)，準(zhǔn)確測量出真空絕熱板的導(dǎo)熱系數(shù)，有助于將真空絕熱板應(yīng)用于需要絕熱保溫的場合并估算出其熱負(fù)荷情況，為系統(tǒng)選擇制冷設(shè)備或加熱設(shè)備提供依據(jù)。在對(duì)真空絕熱板真空度檢測技術(shù)的研究中，本文致力于研究一種基于熱紅外技術(shù)的真空絕熱板真空度檢測方法，主要采用埋入熱輻射器件、能量由外部無損耦合提供、使用紅外熱圖像處理技術(shù)并結(jié)合電路控制系統(tǒng)等實(shí)現(xiàn)對(duì)真空絕熱板的真空度檢測。實(shí)驗(yàn)說明，紅外檢測技術(shù)用于測量真空度是可行的、檢測速度快、檢測結(jié)果可靠；對(duì)熱紅外檢測技術(shù)的研究有利于推動(dòng)國內(nèi)真空度快速檢測技術(shù)的發(fā)展。

當(dāng)今世界能源危機(jī)日趨嚴(yán)重，能源成本日益高漲，節(jié)能減排已成為全世界共同面臨的課題。真空絕熱板(VIP)是一種先進(jìn)的高效節(jié)能產(chǎn)品，是基于真空絕熱原理制成，通過最大限度提高板內(nèi)真空度并填充以芯層絕熱材料而實(shí)現(xiàn)隔絕熱傳導(dǎo)，從而到達(dá)保溫、節(jié)能的目的。但VIP的性能檢測是一個(gè)難題，其性能好壞取決于其板內(nèi)的真空度的高低。由于VIP不能開孔，真空腔狹窄，普通的檢測技術(shù)方法不能使用，因此必須通過某種特殊的檢測技術(shù)方法才能對(duì)VIP的性能開展鑒定，從而保證生產(chǎn)的VIP產(chǎn)品滿足質(zhì)量要求。

中國對(duì)VIP檢測技術(shù)的研究處于剛起步狀態(tài)，主要采用大平板熱保護(hù)法及其原理研發(fā)VIP導(dǎo)熱系數(shù)的測試裝置。這種裝置是基于一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，采用熱流量的方式計(jì)算出VIP的導(dǎo)熱系數(shù)，雖然測試精度高，但穩(wěn)定時(shí)間長，測量周期長。中國研發(fā)這類測試裝置主要有**時(shí)代新天科貿(mào)公司研發(fā)的TPMBE平板導(dǎo)熱儀(導(dǎo)熱系數(shù)測定儀)和**海事大學(xué)設(shè)計(jì)的雙室熱保護(hù)法測定VIP導(dǎo)熱系數(shù)的測試裝置等。

國外檢測技術(shù)主要分兩種:常規(guī)檢測和快速檢測方法。常規(guī)檢測方法是通過測量導(dǎo)熱系數(shù)值來衡量VIP的真空泄漏度和絕熱效果，其導(dǎo)熱系數(shù)測量方法采用國際上通用的熱流計(jì)法。如日本EKO公司生產(chǎn)的HC-074系列熱流法導(dǎo)熱系數(shù)測量儀，是測量絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)最先進(jìn)和最容易使用的儀器。相對(duì)于常規(guī)檢測，快速檢測明顯具有很大優(yōu)勢和市場。如日本EKO公司推出了HC-120系列VIP快速檢測儀，檢測VIP真空度的時(shí)間只需6min。法國塞塔拉姆儀器公司生產(chǎn)的VIP快速無損熱檢測裝置-TCI導(dǎo)熱系數(shù)儀，其檢測速度快，且可以開展無損熱檢測。相對(duì)常規(guī)檢測，快速檢測的優(yōu)點(diǎn)是檢測速度快，但該檢測成本高。

由于中國對(duì)VIP的檢測技術(shù)研究比較晚，發(fā)展還不夠成熟，因此目前中國主要采用傳統(tǒng)的檢測技術(shù)或是向國外公司進(jìn)口快速檢測儀器對(duì)VIP開展性能檢測。若采用傳統(tǒng)檢測技術(shù)方法對(duì)VIP開展性能檢測，雖然檢測精度較高，但是其檢測方法慢，平均測試一塊板需要45min，而且隨著VIP板的厚度增加，其檢測時(shí)間越長，因此采用傳統(tǒng)的檢測技術(shù)效率低，需要消耗大量的時(shí)間，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)效率。

為了提高中國VIP的檢測速度，本文致力于探索應(yīng)用紅外熱圖像處理技術(shù)來研究一種新型的真空絕熱板的快速檢測方法，檢測范圍為0～120Pa，檢測時(shí)間大約需3min，未開展準(zhǔn)確標(biāo)定前檢測誤差在10%以內(nèi)。該方法采用紅外熱成像的原理，通過在VIP內(nèi)埋入熱輻射器件、能量由外部無損耦合，對(duì)板內(nèi)不同氣壓下的VIP紅外熱圖像開展檢測、處理和分析計(jì)算，得到紅外熱圖像灰度變化與VIP內(nèi)部氣壓的線性比例關(guān)系，進(jìn)而檢測出VIP的真空度。

1、VIP檢測原理

紅外圖像的成像機(jī)理是通過將紅外探測器接收到的場景(包括其中的動(dòng)態(tài)目標(biāo)，靜態(tài)目標(biāo)以及背景)的紅外輻射映射成灰度值，轉(zhuǎn)化為紅外圖像，場景中的某一部分的輻射強(qiáng)度越大，反映在圖像中的這一部分的灰度值越高，也就越亮。

在紅外輻射的分析計(jì)算中，通量密度是表示黑體輻射能力的物理量。Stefan-Boltzmann定律給出了黑體的通量密度與熱力學(xué)溫度之間的關(guān)系，即

式中，W為單位黑體面積所發(fā)射的功率，即輻射通量密度；σ為Stefan-Boltzmann常數(shù)，也稱黑體輻射常數(shù)，其值為5.67×10-8W/m2K4；T為熱力學(xué)溫度。由Stefan-Boltzmann定律可知，黑體輻射通量密度將隨溫度的升高而急劇增大。由紅外熱成像機(jī)理可知，紅外探測器接收到場的輻射強(qiáng)度越大，反映在圖像中的灰度值越高，圖像也就越亮。由于VIP內(nèi)部芯材的導(dǎo)熱系數(shù)隨板內(nèi)氣壓的變化而變化，根據(jù)ASTMC1484-01標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，VIP的導(dǎo)熱系數(shù)大于11.5mW/(m·K)被認(rèn)為失效，如圖1所示。由圖1可知，VIP的導(dǎo)熱系數(shù)隨板內(nèi)壓力的增加而增大，當(dāng)板內(nèi)壓力大于50Pa時(shí)隨板內(nèi)壓力升高，導(dǎo)熱系數(shù)急劇增加，當(dāng)板內(nèi)氣壓大于100Pa的時(shí)候，VIP基本屬于失效范圍。

圖1VIP的導(dǎo)熱系數(shù)與板內(nèi)氣壓之間的關(guān)系曲線

基于紅外熱圖像處理的VIP真空度檢測的主要原理:

(1)電阻在VIP內(nèi)部的有3種換熱方式:傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射。VIP內(nèi)氣壓很低，基本沒有空氣流動(dòng)；電阻和VIP芯材嚴(yán)密接觸，電阻在VIP內(nèi)部對(duì)流換熱不是主導(dǎo)換熱；因此VIP的主導(dǎo)換熱是輻射。電阻與周圍輻射換熱可由式(2)計(jì)算[10]，電阻導(dǎo)熱換熱可由式(3)計(jì)算。

式中T1，T2分別為電阻溫度和環(huán)境溫度，ε為電阻發(fā)射率，A為電阻表面積，σ為Stefan-Boltzmann常數(shù)，λ為VIP芯材導(dǎo)熱系數(shù)，δ為電阻在VIP內(nèi)部的深度，與其在真空絕熱板的內(nèi)部位置有關(guān)。

(2)在相同環(huán)境、相同電阻以及電阻在VIP埋入位置相同的條件下，由于真空絕熱板內(nèi)部壓力不同，其導(dǎo)熱系數(shù)也不同，因此電阻在VIP內(nèi)部的散熱速度不同，其周圍的溫度熱場變化速度也將不同。檢測系統(tǒng)根據(jù)這個(gè)特征現(xiàn)象，利用紅外傳感器檢測VIP內(nèi)部電阻及其周圍的熱輻射強(qiáng)度變化，將熱輻射強(qiáng)度變化轉(zhuǎn)化為灰度圖像，利用采集卡將灰度圖像傳送到PC機(jī)上，再開展一系列圖像處理、算法分析，最終計(jì)算得出VIP內(nèi)的真空度。

結(jié)論

本文對(duì)基于紅外熱圖像處理的真空隔熱板真空度檢測方法開展探索性研究，采用紅外熱圖像處理技術(shù)，通過大量實(shí)驗(yàn)工作和數(shù)據(jù)分析，驗(yàn)了熱紅外檢測方法的可行性，取得一定的成果。實(shí)驗(yàn)過程中知道VIP