基于熱紅外的真空絕熱板真空度檢測研究

真空絕熱板 王少杰 廈門大學機電工程系

  真空絕熱板(VIP)主要是依靠其內部真空度來提高其絕熱性能的,由于導熱系數是表征真空絕熱板絕熱性能最重要的物性參數,準確測量出真空絕熱板的導熱系數,有助于將真空絕熱板應用于需要絕熱保溫的場合并估算出其熱負荷情況,為系統選擇制冷設備或加熱設備提供依據。在對真空絕熱板真空度檢測技術的研究中,本文致力于研究一種基于熱紅外技術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并結合電路控制系統等實現對真空絕熱板的真空度檢測。實驗表明,紅外檢測技術用于測量真空度是可行的、檢測速度快、檢測結果可靠;對熱紅外檢測技術的研究有利于推動國內真空度快速檢測技術的發展。

  當今世界能源危機日趨嚴重,能源成本日益高漲,節能減排已成為全世界共同面臨的課題。真空絕熱板(VIP)是一種先進的高效節能產品,是基于真空絕熱原理制成,通過最大限度提高板內真空度并填充以芯層絕熱材料而實現隔絕熱傳導,從而達到保溫、節能的目的。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,普通的檢測技術方法不能使用,因此必須通過某種特殊的檢測技術方法才能對VIP的性能進行鑒定,從而保證生產的VIP產品滿足質量要求。

  中國對VIP檢測技術的研究處于剛起步狀態,主要采用大平板熱保護法及其原理研發VIP導熱系數的測試裝置。這種裝置是基于一維穩態導熱,采用熱流量的方式計算出VIP的導熱系數,雖然測試精度高,但穩定時間長,測量周期長。中國研發這類測試裝置主要有北京時代新天科貿有限公司研發的TPMBE平板導熱儀(導熱系數測定儀)和上海海事大學設計的雙室熱保護法測定VIP導熱系數的測試裝置等。

  國外檢測技術主要分兩種:常規檢測和快速檢測方法。常規檢測方法是通過測量導熱系數值來衡量VIP的真空泄漏度和絕熱效果,其導熱系數測量方法采用國際上通用的熱流計法。如日本EKO公司生產的HC-074系列熱流法導熱系數測量儀,是測量絕熱材料導熱系數最先進和最容易使用的儀器。相對于常規檢測,快速檢測明顯具有很大優勢和市場。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的VIP快速無損熱檢測裝置-TCI導熱系數儀,其檢測速度快,且可以進行無損熱檢測。相對常規檢測,快速檢測的優點是檢測速度快,但該檢測成本高。

  由于中國對VIP的檢測技術研究比較晚,發展還不夠成熟,因此目前中國主要采用傳統的檢測技術或是向國外公司進口快速檢測儀器對VIP進行性能檢測。若采用傳統檢測技術方法對VIP進行性能檢測,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,因此采用傳統的檢測技術效率低,需要消耗大量的時間,嚴重影響了生產效率。

  為了提高中國VIP的檢測速度,本文致力于探索應用紅外熱圖像處理技術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,未進行精確標定前檢測誤差在10%以內。該方法采用紅外熱成像的原理,通過在VIP內埋入熱輻射器件、能量由外部無損耦合,對板內不同氣壓下的VIP紅外熱圖像進行檢測、處理和分析計算,得到紅外熱圖像灰度變化與VIP內部氣壓的線性比例關系,進而檢測出VIP的真空度。

1、VIP檢測原理

  紅外圖像的成像機理是通過將紅外探測器接收到的場景(包括其中的動態目標,靜態目標以及背景)的紅外輻射映射成灰度值,轉化為紅外圖像,場景中的某一部分的輻射強度越大,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溫度之間的關系,即

黑體的通量密度與熱力學溫度之間的關系

  式中,W為單位黑體面積所發射的功率,即輻射通量密度;σ為Stefan-Boltzmann常數,也稱黑體輻射常數,其值為5.67×10-8 W/m2K4;T為熱力學溫度。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。由紅外熱成像機理可知,紅外探測器接收到場的輻射強度越大,反映在圖像中的灰度值越高,圖像也就越亮。由于VIP內部芯材的導熱系數隨板內氣壓的變化而變化,根據ASTMC1484-01標準規定,VIP的導熱系數大于11.5mW/(m·K)被認為失效,如圖1所示。由圖1可知,VIP的導熱系數隨板內壓力的增加而增大,當板內壓力大于50Pa時隨板內壓力升高,導熱系數急劇增加,當板內氣壓大于100Pa的時候,VIP基本屬于失效范圍。

VIP的導熱系數與板內氣壓之間的關系曲線

圖1 VIP的導熱系數與板內氣壓之間的關系曲線

  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內部的有3種換熱方式:傳導、對流、輻射。VIP內氣壓很低,基本沒有空氣流動;電阻和VIP芯材緊密接觸,電阻在VIP內部對流換熱不是主導換熱;因此VIP的主導換熱是輻射。電阻與周圍輻射換熱可由式(2)計算[10],電阻導熱換熱可由式(3)計算。

基于熱紅外的真空絕熱板真空度檢測研究

  式中T1,T2分別為電阻溫度和環境溫度,ε為電阻發射率,A為電阻表面積,σ為Stefan-Boltzmann常數,λ為VIP芯材導熱系數,δ為電阻在VIP內部的深度,與其在真空絕熱板的內部位置有關。

  (2)在相同環境、相同電阻以及電阻在VIP埋入位置相同的條件下,由于真空絕熱板內部壓力不同,其導熱系數也不同,因此電阻在VIP內部的散熱速度不同,其周圍的溫度熱場變化速度也將不同。檢測系統根據這個特征現象,利用紅外傳感器檢測VIP內部電阻及其周圍的熱輻射強度變化,將熱輻射強度變化轉化為灰度圖像,利用采集卡將灰度圖像傳送到PC機上,再進行一系列圖像處理、算法分析,最終計算得出VIP內的真空度。

  結論

  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進行探索性研究,采用紅外熱圖像處理技術,通過大量實驗工作和數據分析,驗了熱紅外檢測方法的可行性,取得一定的成果。實驗過程中知道VIP板內像素平均灰度值變化率與板內氣壓可以近似為線性關系,這種近似線性關系導致檢測結果必然存在一定誤差,而為了消除這個誤差,需要大量的數據進行多次擬合,然后進行精確的標定。我們期待對熱紅外檢測技術的進一步研究,最終能使該檢測方法產業化,推動國內真空度快速檢測技術的發展。