一种基于红外热成像技术的气体泄露浓度定量检测装置及方法

摘要

本发明公开了一种基于红外热成像技术的气体泄露浓度定量检测装置及方法，该装置包括一被动式红外热像仪，被动式红外热像仪内预先存储有一浓度‑测量值定量关系模型且其镜头前方可更换地方式安装有便携式标准红外气室，在现场检测时，该方法用被动式红外热像仪分别采集三组数据，即泄露点的红外图像、无泄漏场景的红外图像、加装标准红外气室后对无泄漏场景的红外图像，被动式红外热像仪根据这三组数据并结合浓度‑测量值定量关系模型，可以实时计算出现场泄露点的气体浓度。

权利要求

1.一种气体泄露浓度定量检测装置，该装置包括一被动式红外热像仪(7)，所述被动式红外热像仪(7)包括一镜头且被构造为能够基于红外热成像技术检测出所述气体的泄露点；其特征在于：所述定量检测装置进一步包括一便携式标准红外气室，所述便携式标准红外气室内充入已知标准浓度的所述气体，所述便携式标准红外气室能够以可更换地方式安装于所述被动式红外热像仪(7)的所述镜头的前方，以使得所述被动式红外热像仪(7)具有至少两种使用状态：在未安装所述便携式标准红外气室形态下使用所述被动式红外热像仪(7)获取所述气体的泄露点和无泄漏场景的红外图像数据；

在安装所述便携式标准红外气室形态下使用所述被动式红外热像仪(7)获取无泄漏场景的红外图像数据；

所述被动式红外热像仪(7)内预先存储有一浓度-测量值定量关系模型，所述浓度-测量值定量关系模型包含有不同浓度的所述气体所对应的所述被动式红外热像仪(7)的测量输出值，基于所述至少两种使用状态下所获得的红外图像数据和所述浓度-测量值定量关系模型，所述被动式红外热像仪(7)被进一步构造为能够检测出所述气体的泄露浓度。

2.根据权利要求1所述的气体泄露浓度定量检测装置，其特征在于，所述便携式标准红外气室能够以可更换地方式安装于所述被动式红外热像仪(7)的所述镜头的前方具体为：所述便携式标准红外气室能够以可拆卸方式安装于所述镜头的前方。

3.根据权利要求2所述的气体泄露浓度定量检测装置，其特征在于，所述被动式红外热像仪(7)被进一步构造为能借助一显示单元(4)显示所述气体的泄露点的位置以及所述气体的泄露浓度。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的气体泄露浓度定量检测装置，其特征在于，所述便携式标准红外气室有多个且多个所述便携式标准红外气室内充入的所述气体的种类不同和/或所述已知标准浓度是可预设的。

5.根据权利要求1-3中任意一项所述的气体泄露浓度定量检测装置，其特征在于，所述浓度-测量值定量关系模型通过标定试验获得。

6.一种使用根据权利要求1-5中任意一项所述的气体泄露浓度定量检测装置进行气体泄露浓度定量检测的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤S1、在未安装所述便携式标准红外气室形态下，使用所述被动式红外热像仪(7)检测所述气体的泄露点的位置；

步骤S2、在未安装所述便携式标准红外气室形态下，使用所述被动式红外热像仪(7)获取所述气体的泄露点的第一红外图像数据；

步骤S3、在未安装所述便携式标准红外气室形态下，使用所述被动式红外热像仪(7)获取无泄漏场景的第二红外图像数据；

步骤S4、在安装所述便携式标准红外气室形态下，使用所述被动式红外热像仪(7)获取无泄漏场景的第三红外图像数据；

步骤S5、基于获取的所述第一、第二和第三红外图像数据以及所述浓度-测量值定量关系模型，所述被动式红外热像仪(7)计算所述气体的泄露浓度。

7.根据权利要求6所述的气体泄露浓度定量检测的方法，其特征在于，所述步骤S5中，所述计算为实时计算。

8.根据权利要求6-7任意一项所述的气体泄露浓度定量检测的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：步骤S6、所述被动式红外热像仪(7)将计算所得的所述泄露浓度在显示单元(4)上显示。

9.一种标定系统，其特征在于，所述标定系统包括一被动式红外热像仪、一面源黑体(9)、一红外气室(8)，在所述被动式红外热像仪与所述面源黑体(9)之间靠近所述面源黑体(9)处垂直放置所述红外气室(8)，所述面源黑体(9)辐射的红外能量经所述红外气室(8)后被所述被动式红外热像仪接收；所述被动式红外热像仪的测量输出值随所述红外气室(8)内所充入气体的浓度的变化而变化，基于该变化建立一浓度-测量值定量关系模型，该浓度-测量值定量关系模型为根据权利要求1-5中任意一项所述的气体泄露浓度定量检测装置的所述被动式红外热像仪(7)内预先存储的所述浓度-测量值定量关系模型。

10.一种利用根据权利要求9所述的标定系统进行标定的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤S1、将所述红外气室(8)垂直放置于所述被动式红外热像仪与所述面源黑体(9)之间靠近所述面源黑体(9)的位置，使所述面源黑体(9)辐射的红外能量经所述红外气室(8)后被所述被动式红外热像仪接收；

步骤S2、通过改变所述红外气室(8)内所充入气体的浓度而改变所述被动式红外热像仪的测量输出值；

步骤S3、基于步骤S2中的所述改变建立所述浓度-测量值定量关系模型。

说明书

一种基于红外热成像技术的气体泄露浓度定量检测装置及

方法

技术领域

[0001] 本发明涉及气体检测领域，具体涉及一种基于红外热成像技术的气体泄露浓度定量检测装置及方法。

背景技术

[0002] 在石化等行业中存在数量庞大且构造复杂的危险气体储存或输送设备，对这些设备的泄露情况进行有效监测是保障安全生产的重要前提。目前广泛采用的是接触式检漏设备，设备的传感器需要与检测目标气体发生接触才能发现泄露情况。然而一些泄漏点可能正在泄漏，但大多数潜在泄漏点还没有发生泄漏，因此操作人员必须亲自查看并检测每个潜在泄漏点，这样做的工作效率很低，还会对检查人员的健康安全造成危害。

[0003] 目前，针对危险气体泄露检测开发的红外热像仪弥补了上述缺点，它利用目标气体的红外吸收谱特性，针对其红外吸收峰所在波段进行非接触式被动成像探测，可以轻而易举的发现非常微弱剂量的目标气体。操作人员可以在安全距离以外通过大面积成像观察的方式同时检查许多潜在泄漏源，耗时短且无需停止设备作业，在取得高效准确检测结果的同时也保证了操作人员的人身安全。

[0004] 现有技术中常见的一种气体泄露检测红外热像仪，在检测目标气体泄漏时，泄漏的目标气体吸收了周围环境中的红外辐射，红外成像系统采集到目标气体红外辐射的变化，红外辐射经过光学镜头的聚焦，经过红外带通滤光器件从目标和背景红外辐射复杂光谱的入射光线中滤出所需要的波段的红外辐射，最终辐射聚焦在并且聚焦在红外探测器的焦平面上，然后经过红外图像采集处理模块进行图像增强处理并且输出到液晶显示屏或者取景器上。这样，通常看不见的目标气体和泄漏所在的部位，同时清晰实时地显示在气体泄露检测红外热像仪的液晶显示器或者取景器上。

[0005] 虽然采用气体泄露检测红外热像仪具有突出优点，但是由于其检测原理是基于目标气体的红外吸收谱特性进行成像观察，主要适用于对大面积区域快速检测有无危险气体泄漏发生，而很难实现对泄露气体浓度的高精度定量检测。因此使用气体泄露检测红外热像仪不容易对气体泄漏严重程度做出准确的定量评估。

[0006] 气体泄露检测红外热像仪通过对大面积区域快速成像来检测有无危险气体泄漏发生，适用于快速搜索泄露点的用途，但如果要实现对泄露气体浓度的定量检测则需要使用传统的接触式电化学传感器或非接触式激光气体探测器。

[0007] 接触式电化学气体传感器用在多种应用中，例如有毒气体浓度的检测或环境监测。目前常见的用于泄露气体浓度的定量检测的接触式电化学传感器包括两个电极，即工作电极和对电极，作为传感器与气体介质接触的结果，例如通过在电极两端施加已知值和形式的电压来确定电极之间的电学阻抗变化。在许多情况下，电极涂覆有将电极桥接的电解质或半导体材料，所述电解质或半导体材料的视在电导率作为与气体介质接触的结果而变化。然而，传统的接触式电化学传感器典型地尺寸较大并且昂贵，这主要是由于需要通过印刷电路板PCB相连的分离的电化学电池和读出电子装置。另外，为了实现足够的传感器精度，接触式电化学传感器元件应该足够大，以产生足够的电流以供读出电子装置测量。

[0008] 目前常见的非接触式激光气体探测器可以实现非接触式目标气体浓度的定量检测，它采用光学检测方式，运用红外分光度量原理，利用对特定气体分子有唯一吸收波长的激光束来实现泄露检测。只需将非接触式激光气体探测器对准存在目标气体的地方，就可以迅速测量该处气体的浓度，通过激光气体检测组件将需要检测的气体浓度转换为电流信号传输到处理器，与设定的阈值进行比较并显示气体浓度数据。但是在单独使用该非接触式激光气体探测器的情况下搜索泄露点仍然效率低下，只能通过逐一检测所有可能的漏点来发现真正的泄露点。

[0009] 通过上述不难发现，如果要同时实现对泄露气体浓度的定量检测，就需要气体泄露检测红外热像仪与至少一套接触式电化学传感器或非接触式激光气体探测器等辅助设备配合使用，设备数量多，体积大，携带困难，这给现场作业带来诸多不便。

发明内容

[0010] 为克服上述现有技术的缺点，本发明意在提供一种通过定标法来实现红外成像气体浓度定量检测的新装置和新方法，使气体泄露检测红外热像仪具备实时浓度测量功能，且便携性好，能实现非接触式的大面积快速搜索气体泄露点与气体气体浓度定量检测，比现有单一检测装置更加高效和能进行精确定量的全面检测。

[0011] 为达到上述目的，本发明提供了一种气体泄露浓度定量检测装置，该装置包括一被动式红外热像仪(7)，所述被动式红外热像仪(7)包括一镜头且被构造为能够基于红外热成像技术检测出所述气体的泄露点；所述定量检测装置进一步包括一便携式标准红外气室，所述便携式标准红外气室内充入已知标准浓度的所述气体，所述便携式标准红外气室能够以可更换地方式安装于所述被动式红外热像仪(7)的所述镜头的前方，以使得所述被动式红外热像仪(7)具有至少两种使用状态：在未安装所述便携式标准红外气室形态下使用所述被动式红外热像仪(7)获取所述气体的泄露点和无泄漏场景的红外图像数据；在安装所述便携式标准红外气室形态下使用所述被动式红外热像仪(7)获取无泄漏场景的红外图像数据；所述被动式红外热像仪(7)内预先存储有一浓度-测量值定量关系模型，所述浓度-测量值定量关系模型包含有不同浓度的所述气体所对应的所述被动式红外热像仪(7)的测量输出值，基于所述至少两种使用状态下所获得的红外图像数据和所述浓度-测量值定量关系模型，所述被动式红外热像仪(7)被进一步构造为能够检测出所述气体的泄露浓度。

[0012] 进一步地，所述便携式标准红外气室能够以可更换地方式安装于所述被动式红外热像仪(7)的所述镜头的前方具体为：所述便携式标准红外气室能够以可拆卸方式安装于所述镜头的前方。

[0013] 进一步地，所述被动式红外热像仪(7)被进一步构造为能借助一显示单元(4)显示所述气体的泄露点的位置以及所述气体的泄露浓度。

[0014] 进一步地，所述便携式标准红外气室有多个且多个所述便携式标准红外气室内充入的所述气体的种类不同和/或所述已知标准浓度是可预设的。

[0015] 进一步地，所述浓度-测量值定量关系模型通过标定试验获得。

[0016] 另一方面，本发明还提供一种使用气体泄露浓度定量检测装置进行气体泄露浓度定量检测的方法，所述方法包括以下步骤：

[0017] 步骤S1、在未安装所述便携式标准红外气室形态下，使用所述被动式红外热像仪(7)检测所述气体的泄露点的位置；

[0018] 步骤S2、在未安装所述便携式标准红外气室形态下，使用所述被动式红外热像仪(7)获取所述气体的泄露点的第一红外图像数据；

[0019] 步骤S3、在未安装所述便携式标准红外气室形态下，使用所述被动式红外热像仪(7)获取无泄漏场景的第二红外图像数据；

[0020] 步骤S4、在安装所述便携式标准红外气室形态下，使用所述被动式红外热像仪(7)获取无泄漏场景的第三红外图像数据；

[0021] 步骤S5、基于获取的所述第一、第二和第三红外图像数据以及所述浓度-测量值定量关系模型，所述被动式红外热像仪(7)计算所述气体的泄露浓度。

[0022] 进一步地，所述步骤S5中，所述计算为实时计算。

[0023] 进一步地，所述方法进一步包括：步骤S6、所述被动式红外热像仪(7)将计算所得的所述泄露浓度在显示单元(4)上显示。

[0024] 另一方面，本发明还相应地提供一种标定系统，所述标定系统包括一被动式红外热像仪、一面源黑体(9)、一红外气室(8)，在所述被动式红外热像仪与所述面源黑体(9)之间靠近所述面源黑体(9)处垂直放置所述红外气室(8)，所述面源黑体(9)辐射的红外能量经所述红外气室(8)后被所述被动式红外热像仪接收；所述被动式红外热像仪的测量输出值随所述红外气室(8)内所充入气体的浓度的变化而变化，基于该变化建立一浓度-测量值定量关系模型，该浓度-测量值定量关系模型为气体泄露浓度定量检测装置的所述被动式红外热像仪(7)内预先存储的所述浓度-测量值定量关系模型。

[0025] 最后，本发明还相应地一种利用标定系统进行标定的方法，所述方法包括以下步骤：

[0026] 步骤S1、将所述红外气室(8)垂直放置于所述被动式红外热像仪与所述面源黑体(9)之间靠近所述面源黑体(9)的位置，使所述面源黑体(9)辐射的红外能量经所述红外气室(8)后被所述被动式红外热像仪接收；

[0027] 步骤S2、通过改变所述红外气室(8)内所充入气体的浓度而改变所述被动式红外热像仪的测量输出值；

[0028] 步骤S3、基于步骤S2中的所述改变建立所述浓度-测量值定量关系模型[0029] 与现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：

[0030] 1、在实验室建立了目标气体浓度与热像仪图像信号的定量关系模型，为定量标准化提供了保障。

[0031] 2、采用便携式标准红外气室作为现场浓度测定的参考源，方便现场作业操作。

[0032] 3、在红外图像上实时标示出气体浓度，便于操作者使用和监控。

[0033] 4、采用不同气体类型的标准红外气室，可以实时测定多种对应气体的浓度，具有较广的应用范围。

附图说明

[0034] 本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解。在附图中，除非另外规定，否则贯穿多个附图相同的附图标记表示相同或相似的部件或元素。这些附图不一定是按照比例绘制的。应该理解，这些附图仅描绘了根据本发明公开的一些实施方式，用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，而不应将其视为是对本发明范围的限制。其中：

[0035] 图1为本发明提供的一种气体泄露检测红外热像仪的结构示意图；

[0036] 图2为本发明提供的一种标定实验装置系统的结构示意图；

[0037] 图3为本发明提供的一种红外气室的结构示意图；

[0038] 图4为本发明提供的一种气体泄露浓度定量检测方法的流程示意图。

[0039] 附图标记：

[0040] 红外焦平面探测器1、红外探测器驱动器2、红外图像处理器3、存储单元31、显示单元4、通讯单元5、目标辐射6、气体泄露检测红外热像仪7、红外气室8、锗窗口81、气体入口82、气体出口83、气体浓度传感器安装孔84、气体温度传感器安装孔85、气体压力传感器安装孔86、面源黑体9。

具体实施方式

[0041] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明做进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

[0042] 本发明所采用的红外热像仪是一种被动式红外热像仪，红外热像仪采用红外光谱吸收原理制作而成，多原子气体的分子具有较多的机械自由度，因而容易发生原子的旋转和振动跃迁运动。根据跃迁的频率，一些气体的分子较容易吸收特定红外波段，如3.2～3.4um波长的光子能量，使其自身产生原子运动，从而使经过这些气体的红外辐射能量被吸收减弱。当特定波段的红外光线穿过某气体时，若红外光线的频率与气体分子的运动频率一致，气体就吸收红外光线的辐射能，产生选择性能级跃迁，其中能级跃迁最强的红外光线的频率即为气体分子的特征频率。泄露的气体会吸收一部分其背景辐射原本能到达红外热像仪的能量，从而使有气体存在的区域与没有气体的区域在红外图像中直观的区分开来。

[0043] 图1示出了本发明所提供的一种气体泄露检测红外热像仪，该红外热像仪是一种被动式红外热像仪，其该红外热像仪包括红外焦平面探测器1、红外探测器驱动器2、红外图像处理器3、存储单元31、显示单元4、通讯单元5。红外图像处理器3分别与红外焦平面探测器1、红外探测器驱动器2、存储单元31、显示单元4和通讯单元5连接，对其进行控制，并接收信号。红外探测器驱动器2与红外焦平面探测器1连接，用于产生红外焦平面探测器1所需的供电电压、偏置电压、驱动时序信号，然后对目标辐射6的原始红外信号进行采集，然后传输给红外图像处理器3，如果目标视窗内存在泄露气体，则采集的原始红外信号即是被泄露气体进行吸收后的原始红外信号。红外图像处理器3对采集的原始红外信号进行非均匀性校正、图像降噪、图像增强、灰度变换等处理后传输给显示单元4，该处理后的数据主要包括红外成像中存在气体泄漏点的区域和位置。

[0044] 气体泄露检测红外热像仪采用气体红外光谱吸收原理制作而成，当特定波段的红外光线穿过某气体时，若红外光线的频率与气体分子的运动频率一致，气体就吸收红外光线的辐射能，产生选择性能级跃迁，其中能级跃迁最强的红外光线的频率即为气体分子的特征频率，因此气体泄露检测红外热像仪能够用于在所需监测区域进行红外成像，以发现气体泄漏点。

[0045] 进一步地，为了使气体泄露检测红外热像仪在检测泄漏点的同时还具备气体浓度实时测量功能，本发明借鉴工业用测温热像仪的测温原理而提供一种标定实验装置系统，在气体泄露检测红外热像仪的生产制造阶段即可预先对其进行标定。

[0046] 具体地，图2示出了本发明所提供的一种标定实验装置系统，通过该标定实验装置系统完成上述气体泄露检测红外热像仪的标定工作，该系统包括一面源黑体9、一红外气室8、一气体泄露检测红外热像仪7，其中，气体泄露检测红外热像仪7是一种被动式红外热像仪，气体泄露检测红外热像仪7面对面源黑体9成像，在气体泄露检测红外热像仪7与面源黑体9之间靠近面源黑体9处垂直放置红外气室8，使面源黑体9辐射的红外能量经过红外气室
8后才被气体泄露检测红外热像仪7接收。

[0047] 其中，基于公知的气体红外吸收谱特性，本领域技术人员可以理解的是，通过控制调节红外气室8内所充入的气体浓度，便可以采集得到不同气体浓度所对应的气体泄露检测红外热像仪7的输出信号数值，据此对应关系可建立两者的定量关系模型，作为实际使用时测量气体浓度的基础数学模型。

[0048] 上述定量关系模型可预先存储于气体泄露检测红外热像仪7的存储单元31、中，供红外图像处理器3进行数据处理时调用。

[0049] 特别地，预先制作一片小型便携式标准红外气室，充入已知标准浓度的目标气体，并可以装配于本发明所提供的气体泄露检测红外热像仪7的镜头前方，以备实际测量时使用。

[0050] 图3进一步示出了本发明所提供的一种红外气室，该红外气室8的两端为透红外辐射的锗窗口81，红外气室8的侧壁则设置有气体入口82、气体出口83、气体浓度传感器安装孔84，根据实际需求，还可以进一步设置诸如气体温度传感器安装孔85、气体压力传感器安装孔86等，以方便加装其它用途的传感设备。

[0051] 采用本发明的上述标定方法，可针对各类待检测泄露气体进行标定，例如，日常熟知的有害气体，如甲烷、石油气、乙烯、其它对生物体及环境有害的工业气体或其液化体等，建立其浓度定量关系模型，并针对不同类型的气体分别制作相应的便携式标准红外气室。

[0052] 至此，本发明提供一种基于红外热成像技术的气体泄露浓度定量检测装置，该装置包括一气体泄露检测红外热像仪7，气体泄露检测红外热像仪7是一种被动式红外热像仪，该气体泄露检测红外热像仪7的存储单元31内存储有定量关系模型，该定量关系模型包含不同气体浓度所对应的气体泄露检测红外热像仪7的输出信号数值，此外，该气体泄露检测红外热像仪7的镜头前方以可更换方式安装有一便携式标准红外气室，该便携式标准红外气室内充入已知标准浓度的目标气体。

[0053] 另一方面，本发明进一步提供一种基于红外热成像技术的气体泄露浓度定量检测方法，在现场检测时，用气体泄露检测红外热像仪7分别采集三组数据——泄露点的红外图像数据、无泄漏场景的红外图像数据、加装便携式标准红外气室后对无泄漏场景的红外图像数据，之后，气体泄露检测红外热像仪7的红外图像处理器3根据这三组数据，结合事先存储于气体泄露检测红外热像仪7的存储单元31内的定量关系模型，就可以实时计算出现场泄露点的泄露气体浓度。

[0054] 上述检测方法可具体包括以下步骤：

[0055] 步骤S1、在未安装便携式标准红外气室形态下，使用气体泄露检测红外热像仪7检测气体的泄露点的位置；

[0056] 步骤S2、在未安装便携式标准红外气室形态下，使用气体泄露检测红外热像仪7获取气体的泄露点的第一红外图像数据；

[0057] 步骤S3、在未安装便携式标准红外气室形态下，使用气体泄露检测红外热像仪7获取无泄漏场景的第二红外图像数据；

[0058] 步骤S4、在安装便携式标准红外气室形态下，使用气体泄露检测红外热像仪7获取无泄漏场景的第三红外图像数据；

[0059] 步骤S5、基于获取的第一、第二、第三红外图像数据以及定量关系模型，气体泄露检测红外热像仪7的红外图像处理器3实时计算气体的泄露浓度；

[0060] 步骤S6、气体泄露检测红外热像仪7将计算所得的气体泄露浓度在显示单元4上显示。

[0061] 应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。