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；對熱紅外檢測技術(shù)的研究有利于推動國內(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)定時間長，測量周期長。中國研發(fā)這類測試裝置主要有**時代新天科貿(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VIP開展性能檢測。若采用傳統(tǒng)檢測技術(shù)方法對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)、對流、輻射。VIP內(nèi)氣壓很低，基本沒有空氣流動；電阻和VIP芯材嚴(yán)密接觸，電阻在VIP內(nèi)部對流換熱不是主導(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