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红外热成像技术在孔隙尺度下多孔介质相变过程表征中的应用与优化研究

王淑 冷航 陈彦伶 王昌涛 陈周林 杨英英

王淑, 冷航, 陈彦伶, 王昌涛, 陈周林, 杨英英. 红外热成像技术在孔隙尺度下多孔介质相变过程表征中的应用与优化研究[J]. 红外技术, 2022, 44(3): 294-302.
引用本文: 王淑, 冷航, 陈彦伶, 王昌涛, 陈周林, 杨英英. 红外热成像技术在孔隙尺度下多孔介质相变过程表征中的应用与优化研究[J]. 红外技术, 2022, 44(3): 294-302.
WANG Shu, LENG Hang, CHEN Yanling, WANG Changtao, CHEN Zhoulin, YANG Yingying. Application of Infrared Thermography for Characterizing Phase Change Process of Porous Media at Pore Scale[J]. Infrared Technology , 2022, 44(3): 294-302.
Citation: WANG Shu, LENG Hang, CHEN Yanling, WANG Changtao, CHEN Zhoulin, YANG Yingying. Application of Infrared Thermography for Characterizing Phase Change Process of Porous Media at Pore Scale[J]. Infrared Technology , 2022, 44(3): 294-302.

红外热成像技术在孔隙尺度下多孔介质相变过程表征中的应用与优化研究

基金项目: 

国家自然科学基金青年基金 52006146

上海市青年科技英才扬帆计划 19YF1434700

详细信息
    作者简介:

    王淑(1999-),女(白族),云南楚雄人,本科生,研究方向为无损检测、相变储能技术及应用,Email:wangshu990810@163.com

    通讯作者:

    杨英英(1988-),女,河北保定人,硕导,副教授,研究方向为无损检测、建筑节能、相变储能技术及应用,Email:yingyingyang@usst.com

  • 中图分类号: TN219

Application of Infrared Thermography for Characterizing Phase Change Process of Porous Media at Pore Scale

  • 摘要: 红外热成像技术是一种应用广泛、发展较快的新型数字化无损检测技术,但其目前仍存在测量精度较低、图像噪声影响较大、数据量巨大等缺点。本文利用红外热成像技术,在孔隙尺度下对多孔材料内石蜡和水的相变过程进行了表征,并对红外热成像测温精度和相界面的表征进行了优化。首先通过添加反射表面(褶皱的铝箔)获取测试过程中环境反射温度,以修正目标物体温度;同时通过引导滤波和主成分热像法(Principal component thermography, PCT)对红外热成像图片降噪,提高红外热像仪对温度场及相界面的检测精度。实验结果表明:环境反射温度修正法可以排除测试环境温度变化对红外测温结果的影响;引导滤波法选取合适的滤波半径和滤波参数后相界面轮廓更加清晰,并取得较好的降噪效果;主成分热像法除了降噪效果好,使相界面更清晰,并使处理数据量减少了4个量级。上述3种优化方法为红外热成像技术在孔隙尺度下多孔介质相变过程表征中的应用提供了技术支持。
  • 图  1  红外热像仪测温原理图[15]

    Figure  1.  Schematic of IR camera when measuring temperature[15]

    图  2  将三维矩阵重构为二维矩阵

    Figure  2.  The three-dimensional matrix is reconstructed into a two-dimensional matrix

    图  3  将二维矩阵重排为三维矩阵

    Figure  3.  The two-dimensional matrix is reconstructed into a three-dimensional matrix.

    图  4  石蜡融化与凝固过程中吸热和放热曲线

    Figure  4.  Endothermic and exothermic curves of paraffin wax during melting and solidification.

    图  5  复合相变材料(a)泡沫铜金属; (b)泡沫铜/石蜡复合式样

    Figure  5.  Phase transition material: (a) Copper foam metal; (b) Copper foam and paraffin composite pattern

    图  6  多孔树脂模型(a)三维模型(b)孔间距

    Figure  6.  Model of porous resin: (a) three-D model; (b) pitch of holes

    图  7  置于抽梯型亚克力板中的多孔树脂

    Figure  7.  Porous resin placed in ladder-type acrylic board.

    图  8  实验系统

    Figure  8.  Experimental system

    图  9  红外拍摄区域

    Figure  9.  Infrared imaging area

    图  10  修正后温度、未修正温度与热电偶所测温度的对比

    Figure  10.  Comparison of corrected temperature, uncorrected temperature and temperature measured by thermocouple

    图  11  泡沫铜/石蜡不同滤波窗口及参数下的对比

    Figure  11.  Comparison of copper foam/paraffin under different filtering windows and parameters

    图  12  引导滤波处理前后泡沫铜/石蜡相界面对比

    Figure  12.  Comparison of copper foam/paraffin phase interface before and after guided filtering treatment:.

    图  13  多孔树脂/水不同滤波窗口及参数下的对比

    Figure  13.  Comparison of porous resin/water under different filtering windows and parameters

    图  14  引导滤波处理前后多孔树脂/水相界面对比

    Figure  14.  Comparison of porous resin/water interface before and after filtering treatment

    图  15  泡沫铜/石蜡(a)奇异值(b)不同奇异值个数对应的Pj

    Figure  15.  Copper foam/paraffin: (a)singular value; (b) Pj values corresponding to different singular values

    图  16  多孔树脂/水(a)奇异值(b)不同奇异值个数对应的Pj

    Figure  16.  Porous resin/water: (a)singular value; (b) Pj values corresponding to different singular values.

    图  17  截断奇异值分解算法原理

    Figure  17.  Principle of TSVD

    图  18  泡沫铜/石蜡不同截断值j对比图

    Figure  18.  Comparison charts of copper foam/paraffin with different cut-off values j

    图  19  多孔树脂/水不同截断值j对比图

    Figure  19.  Comparison charst of porous resin/water with different cut-off values j

    表  1  石蜡融化实验不同截断值与原图数据量对比

    Table  1.   Comparison between different cut-off values of paraffin melting experiment and data quantity of original image

    Original drawing 22500×22500+38+38×38=506, 251, 482
    j=1 22500×1+1+38×1=22, 539
    j=2 22500×2+2+38×2=45, 078
    j=3 22500×3+3+38×3=67, 617
    j=4 22500×4+4+38×4=90, 156
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    表  2  水结冰实验不同截断值与原图数据量对比

    Table  2.   Comparison between different cut-off values of water icing experiment and data quantity of original image

    Original drawing 22500×22500+94+94×94=506, 258, 930
    j=1 22500×1+1+94×1=22, 595
    j=2 22500×2+2+94×2=45, 388
    j=3 22500×3+3+94×3=67, 785
    j=4 22500×4+4+94×4=90, 380
    下载: 导出CSV
  • [1] 袁仁续, 赵鸣. 红外热像技术在无损检测中的应用研究进展[J]. 福州大学学报: 自然科学版, 2005(S1): 203-207. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-FZDZ2005S1041.htm

    YUAN Renxu, ZHAO Ming. Advances in the application of infrared thermography in nondestructive testing[J]. Journal of Fuzhou University: Natural Science, 2005(S1): 203-207. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-FZDZ2005S1041.htm
    [2] 徐悦. 民机ISS系统中红外/可见光的跑道监视算法研究[D]. 上海: 上海交通大学, 2012.

    XU Yue. Research on Runway Monitoring Algorithm in Infrared/Visible Light in CIVIL Aircraft ISS System[D]. Shanghai: Shanghai Jiao Tong University, 2012.
    [3] 李鑫. 红外热成像技术在化工装置中的应用[J]. 科技创新与应用, 2017(13): 29-30. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-CXYY201713015.htm

    LI Xin. Application of infrared thermal imaging technology in chemical plant[J]. Technology Innovation and Application, 2017(13): 29-30. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-CXYY201713015.htm
    [4] 邵进, 胡武炎, 贾风鸣, 等. 红外热成像技术在电力设备状态检修中的应用[J]. 高压电器, 2013, 49(1): 126-129, 133. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GYDQ201301028.htm

    SHAO Jin, HU Wu Yan, JIAO Feng Ming, et al. Application of infrared thermal imaging technology in state maintenance of power equipment[J]. High Voltage Apparatus, 2013, 49(1): 126-129, 133. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GYDQ201301028.htm
    [5] 史宁昌, 王迅, 张存林. 红外热波成像技术在文物保护修复中的应用[J]. 中国国家博物馆馆刊, 2017(5): 149-157. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZLBK201705018.htm

    SHI Ningchang, WANG Xu, ZHANG Cunlin. Application of infrared thermal wave imaging technology in conservation and restoration of cultural relics[J]. Journal of National Museum of Chinese History, 2017(5): 149-157. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZLBK201705018.htm
    [6] 赵明媛, 曹向阳, 翟远坤, 等. 红外热成像技术在骨伤科中的应用进展[J]. 中国中医骨伤科杂志, 2015, 23(8): 78-80. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZGZG201508030.htm

    ZHAO Minyuan, CAO Xiaoyang, ZHAI Yuankun, et al. Application of infrared thermal imaging in orthopedics[J]. Chinese Journal of Traditional Medical Traumatology, 2015, 23(8): 78-80. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZGZG201508030.htm
    [7] 袁仁续, 赵鸣. 红外热像技术在无损检测中的应用研究进展[J]. 福州大学学报: 自然科学版, 2005, 33(z1): 203-207. doi:  10.3969/j.issn.1000-2243.2005.z1.041

    YUAN Renxu, ZHAO Ming. Advances in the application of infrared thermography in nondestructive testing[J]. Journal of Fuzhou University: Natural Science, 2005, 33(z1): 203-207. doi:  10.3969/j.issn.1000-2243.2005.z1.041
    [8] 闫洪远. 用于建筑节能的多孔基体相变储能材料的制备及应用实验[D]. 重庆: 重庆大学, 2011.

    YAN Hongyuan. Preparation and Application of Porous Matrix Phase Change Energy Storage Materials for Building Energy Conservation [D]. Chongqing: Chongqing University, 2011.
    [9] 金虹庆. 泡沫金属复合相变材料熔化传热过程可视化研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2017.

    JIN Qinhong. Visualization of Melting And Heat Transfer of Metallic Foam Composite Phase Change Materials [D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2017.
    [10] 晏旺, 唐中华, 靳俊杰. 冰蓄冷技术在空调系统中的应用及发展方向[J]. 节能, 2013, 32(5): 41-42. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JNJN201305010.htm

    YAN Wang, TANG Zhonghua, JIN Junjie. Application and development trend of ice storage technology in air conditioning system [J]. Energy Conservation, 2013, 32(5): 41-42. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JNJN201305010.htm
    [11] 张旋, 吴晓敏, 闵敬春. 冷壁上单个静止过冷液滴冻结过程的数值模拟[J]. 工程热物理学报, 2018, 39(1): 159-164. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GCRB201801027.htm

    ZHANG Xuan, WU Xiaomin, MIN Jingchun. Numerical simulation of freezing process of single stationary subcooled liquid droplet on cold Wall [J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2018, 39(1): 159-164. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GCRB201801027.htm
    [12] 于萍, 黄传辉, 张红, 等. 组合式吸液芯内液汽相变过程的数值模拟[J]. 工程热物理学报, 2018, 39(12): 2732-2737. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GCRB201812024.htm

    YU Pin, HUANG Chuanhui, ZHANG Hong, et al. Numerical simulation of liquid-vapor phase transition in a combined suction core[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2018, 39(12): 2732-2737. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GCRB201812024.htm
    [13] 葛朋, 杨波, 韩庆林, 等. 一种基于引导滤波图像分层的红外图像细节增强算法[J]. 红外技术, 2018, 40(12): 1161-1169. http://hwjs.nvir.cn/article/id/hwjs201812008

    GE Peng, YANG Bo, HAN Qinglin, et al. Infrared image detail enhancement algorithm based on hierarchical processing by guided image filter[J]. Infrared Technology, 2018, 40(12): 1161-1169. http://hwjs.nvir.cn/article/id/hwjs201812008
    [14] 钱征文, 程礼, 李应红. 利用奇异值分解的信号降噪方法[J]. 振动、测试与诊断, 2011, 31(4): 459-463. doi:  10.3969/j.issn.1004-6801.2011.04.012

    QIAN Zhengwen, CHENG Li, LI Yinghong. Signal denoising method using singular value decomposition[J]. Journal of Vibration, Measurement & Diagnosis, 2011, 31(4): 459-463. doi:  10.3969/j.issn.1004-6801.2011.04.012
    [15] 杨立. 红外热像仪测温计算与误差分析[J]. 红外技术, 1999, 21(4): 20-24. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HWJS199904005.htm

    YANG Li. Temperature calculation and error analysis of infrared thermal imager[J]. Infrared Technology, 1999, 21(4): 20-24. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HWJS199904005.htm
    [16] 马宁, 刘莎, 李江勇. 红外热像仪的空间噪声和时间噪声分析[J]. 激光与红外, 2017, 47(6): 717-721. doi:  10.3969/j.issn.1001-5078.2017.06.013

    MA Ning, LIU Sha, LI Jiangyong, Analysis of spatial and temporal noise of infrared thermal imager[J]. Laser & Infrared, 2017, 47(6): 717-721. doi:  10.3969/j.issn.1001-5078.2017.06.013
    [17] 邹前进, 冯亮, 汪亚. 红外图像空间噪声分析和预处理方法改进[J]. 应用光学, 2007(4): 426-430. doi:  10.3969/j.issn.1002-2082.2007.04.010

    ZOU Qianjin, FENG Liang, WANG Ya. Spatial noise analysis and preprocessing of infrared image [J]. Journal of Applied Optics, 2007(4): 426-430. doi:  10.3969/j.issn.1002-2082.2007.04.010
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-08-14
  • 修回日期:  2021-10-16
  • 刊出日期:  2022-03-20

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