利用红外热像仪诊断散热器故障分析

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【导读】供暖散热器在制造和运行过程中会发生各种质量缺陷及故障，如砂眼、裂纹、腐蚀、结垢、渗漏、堵塞、气阻、松动等，影响散热器的正常使用和供暖系统的运行。传统的散热器故障检测大都依

供暖散热器在制造和运行过程中会发生各种质量缺陷及故障，如砂眼、裂纹、腐蚀、结垢、渗漏、堵塞、气阻、松动等，影响散热器的正常使用和供暖系统的运行。传统的散热器故障检测大都依靠经验判断，存在很大的偶然性和随意性，不能全面、真实、客观地反映散热器的故障。因此，需要一种能在运行状态下检测散热器故障的先进、客观和可行的方法。为此，我们引入红外热像仪诊断技术。红外热像仪诊断技术具有非接触、快速、准确、直观、可靠、实时显示及操作安全等优势，满足在运行状态下进行无损检测的要求。 红外热像仪 诊断在许多领域都得到了广泛的应用，尤其在设备故障诊断中，更是一种有效的手段。本文在红外热像仪诊断技术原理基础上，对其在供暖散热器故障诊断方面进行可行性研究。

1 红外热像仪的诊断原理

红外热像仪由光机扫描热像仪摄像头、显示系统、记录系统和外围辅助装置等组成。光机扫描热像仪摄像头主要包括接收光学系统、光机扫描机构、红外探测器、前置放大器和视频信号预处理电路。显示系统的配置取决于红外热像仪的用途，通常采用CRT显示器或与电视兼容的监视器。记录系统可采用普通照相机、快拍照相机或**、磁带录像机等。外围辅助装置包括电源、同步机构、图像处理与分析系统等。

红外热像仪的工作过程是将被测物体表面温度分布借助红外辐射信号的形式，经接收光学系统和光机扫描机构成像在红外探测器上，再由红外探测器将其转换为视频电信号。这个微弱的视频电信号经前置放大器和进一步放大处理后，送至终端显示器，显示出被测物体表面温度分布的红外热图像。应该指出，红外热像仪能够显示出物体红外热图像的关键在于要将物体按一定规律进行分割，即把观测景物空间按水平和垂直方向分割成若干个小的空间单元，接收光学系统依次扫过各空间单元，并将各空间单元的信号再组合成整个景物空间的图像。光机扫描机构依次使接收光学系统对景物空间进行二维扫描，于是，接收光学系统按时间先后依次接收二维空间中各景物单元信息，该信息经放大处理后变成一维时序信号，该信号再与同步机构送来的同步信号合成后送到显示器，显示出完整的景物红外热图像^[1]。

红外检测就是利用红外辐射原理对设备或材料及其他物体的表面进行检验和测量的专门技术，也是采集物体表面温度信息的一种手段怛o。如果一个物体内部存在缺陷，缺陷部分的传热行为会发生变化，反映到表面是异常的温度分布或热流分布，这些异常的热量信息可以被红外热像仪捕获并被内置其中的计算机记录到红外热图像中。通过对热量信息的存储媒体(红外热图像)的分析，我们可以得到缺陷的位置、形状和大小等信息^[3]。

2 可行性分析

2.1 理论分析

① **类理论研究

采用红外热像仪进行散热器故障诊断的可行性问题其实为红外诊断故障中的**类理论研究，即导热的正问题。导热的正问题是设定给定设备内部故障的性质与位置，在已知设备内部结构及零部件几何形状、热物性参数、初始条件和边界条件的前提下，求解导热微分方程式。主要为获得设备表面边界上(有时也需要求解设备内部)的温度分布及其变化规律。获得设备内部不同故障(或缺陷)的表面温度分布特征或红外热像特征及变化规律，并为确定内部故障(或缺陷)红外检测的可行性、检测仪器性能指标及检测条件的选择和建立诊断依据提供可靠的理论依据。散热器通过导热将内部热量传到散热器表面，内部的故障(或缺陷)将通过散热器的表面温度有所反映。

② 第二类理论研究

红外诊断故障中的第二类理论研究实质上是解决传热学中的导热反问题，即采用红外成像检测得到的运行设备表面温度分布数据为附加边界条件，并结合已知的设备表面传热边界条件、设备内部零部件的几何形状与热物性参数，通过求解导热控制方程，得到设备内部温度分布或热源项，从而确定设备内部故障的属性、位置和故障的严重程度。或者利用上述的边界条件和零部件本体材料热物性参数，在已知边界热流注入的条件下，通过求解导热控制方程，得到物体内部缺陷(裂纹、潜伏性异质杂物等)或加热设备界面缺陷(烧蚀、破损或脱落)的具体位置、形状与几何尺寸。第二类理论研究课题是解决散热器故障(或缺陷)的定性、定位和定量诊断。

2.2 实验研究

① 实验概况

在散热器检测实验室中，由故障散热器片、供回水管、阀门和电热水锅炉组成简单的供暖系统。检测设备为HR-2型工业红外热像仪，其分辨率≤0.03℃，测温范围为-30～500℃。实验1采用异型管散热器，实验2采用铜铝复合型散热器。两次实验的实验条件见表1。

表1 实验条件

Tab.1 Experimental conditions

实验条件	实验1	实验2
供水温度/℃	91.9	88.3
回水温度/℃	81.6	72.5
热水质量流量/(kg·h^-1)	47.2	60.0
室内温度/℃	25.7	25.7

② 异型管散热器实验

异型管散热器红外热图像见图1。红外热图像中有多处形状不规则的黄**域，并且这些不规则的黄**域温度低于周围的紫**域，这说明异型管散热器的表面温度场发生畸变，即存在故障。根据异型管散热器热图像特征，结合散热器制造工艺、安装情况分析，判断散热器内壁有锈蚀。将稀盐酸溶液注入供水管，在散热器的回水管中出现大量的红色铁锈、杂质排出，说明根据红外热图像的判断结果与实际情况符合。

③ 铜铝复合型散热器实验

铜铝复合型散热器红外热图像见图2。红外热图像*左侧散热器柱区域颜色明显不同于其他散热器柱区域，且温度也低于其他散热器柱温度，说明*左侧散热器柱存在故障。根据红外热图像及工艺结构分析，判断散热器内积气。将排气阀打开，有大量的气体排出，说明根据红外热图像的判断结果与实际情况符合。

3 影响检测结果的因素

影响红外检测结果准确性的主要因素有仪器的发射率、波长、检测距离、阳光照射、尘埃的散射、风的冷却、邻近辐射体的干扰、大气的吸收、设备负荷等^[4]。根据被测目标的温度范围，选择波长接近的检测仪器。为削弱大气吸收对红外检测的影响，除根据被测目标选择合适波长的检测仪器外，检测应尽量安排在大气较干燥和清}吉的季节，并要求空气相对湿度不超过85%，在保障安全的前提下，适当缩短检测距离。由于大多数纯金属表面的发射率都很低，因此应根据被测目标选择适当的发射率，对检测结果进行合理的修正。检测位置的选择应位置固定、距离适宜和方向合理。此外，检测应尽量选择在无阳光照射的阴天或在日落后、日出前进行。对户内设备进行检测时，应关闭照明电源。若邻近或背景有其他高温设备，应采取必要的遮挡措施，以避免或降低外界的辐射影响。

4 结论

在分析散热器红外热图像和温度变化规律的基础上，结合散热器的结构、运行状况和专家经验等，可以检测出散热器故障(或缺陷)的性质、部位和程度，使预测故障发展趋势及散热器的寿命成为可能。因此，采用红外热像仪对散热器进行故障诊断可行。

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2007-04-30 08:28:39

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