一种针对甲烷气体泄露的红外成像与浓度检测装置和方法与流程

本发明涉及气体检测领域，具体涉及一种针对甲烷气体泄露的红外成像与浓度检测装置和方法。

背景技术：

在石化等行业中存在数量庞大且构造复杂的甲烷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。针对甲烷气体泄露检测开发的红外热像仪弥补了上述缺点。它利用甲烷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甲烷气体。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。现有技术中，在检测甲烷气体泄漏时，泄漏的甲烷气体吸收了周围环境中的红外辐射，红外成像系统采集到甲烷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，通常看不见的甲烷气体和泄漏所在的部位，同时清晰实时的显示在甲烷气体红外成像仪的液晶显示器或者取景器上。

采用甲烷气体泄露检测红外热像仪虽然具有突出优点，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甲烷气体泄漏发生，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。

目前有一种激光甲烷检测仪可以实现非接触式甲烷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，利用对甲烷分子有唯一吸收波长的激光束来实现泄露检测。只需将激光甲烷检测仪对准存在甲烷气体的地方，就可以迅速测量该处甲烷气体的浓度。如现有发明专利cn108037129a公开了一种用于检测煤矿甲烷浓度的方法，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。但是在单独使用该装置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。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种针对甲烷气体泄露的红外成像与浓度检测装置和方法，将甲烷气体泄露检测红外热成像技术与激光甲烷检测技术结合起来，同时实现了非接触式的大面积快速搜索甲烷泄露点与甲烷气体浓度定量检测，实现了比现有单一检测装置更加高效和精确定量的全面检测。

为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：

本发明的第一方面提供了一种针对甲烷气体泄露的红外成像与浓度检测装置，包括红外热像仪和激光甲烷检测模块；

所述红外热像仪用于对所需监测区域进行红外成像，以发现甲烷气体泄漏点；

所述激光甲烷检测模块根据红外成像发现的泄漏点进行对准，并测量的甲烷浓度；

在所述红外热像仪中嵌入所述激光甲烷检测模块，激光甲烷检测模块的激光束发射方向与红外热像仪的光轴方向调节为一致，两者之间互相通讯实现数据交互。

进一步的，所述红外热像仪包括红外焦平面探测器、红外探测器驱动器、红外图像处理器、显示单元、通讯单元；

所述红外图像处理器分别与所述红外焦平面探测器、红外探测器驱动器、显示单元和通讯单元连接，对其进行控制，并接收信号；

所述红外探测器驱动器与所述红外焦平面探测器连接，用于产生红外探测器所需的供电电压、偏置电压、驱动时序信号，然后对目标辐射的原始红外信号进行采集，然后传输给所述红外图像处理器；

所述红外图像处理器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所述显示单元。

进一步的，所述激光甲烷检测模块包括处理器、激光甲烷信号采集处理单元和通讯单元；

所述处理器与激光甲烷信号采集处理单元连接，用于接收和处理所述激光甲烷信号采集处理单元的信号，并进行相应的信号处理，将处理结果通过通讯单元传输至所述红外热像仪和/或终端设备。

进一步的，所述激光甲烷检测模块包括处理器、激光甲烷信号采集处理单元和通讯单元；

所述处理器与激光甲烷信号采集处理单元连接，用于接收和处理所述激光甲烷信号采集处理单元的信号，并进行相应的信号处理，将处理结果通过通讯单元传输至所述红外热像仪和/或终端设备；

所述激光甲烷信号采集处理单元包括触发调节器、激光驱动器、激光器和光电探测器；

所述触发调节器接收到红外热像仪和/或终端设备发送的探测状态信号，根据探测状态信息，触发调节器发送调节信号至激光驱动器，调节激光器的激光束发射方向与红外热像仪的光轴方向为一致，调节完毕后再发送触发信号至激光驱动器；

所述激光驱动器接收触发信号后，根据探测状态信号产生调制信号，以对所述激光器的输出调制，并驱动激光器向甲烷泄漏点发射目标波长的激光；

所述光电探测器接收经过反射后的激光，并将所述激光转换为探测信号输出；

所述处理器接收和处理激光甲烷信号采集处理单元的信号包括接收光电探测器输出转换后的探测信号，所述探测信号包括甲烷气体对光强的吸收，对比吸收光与原始光的强度计算获得并输出甲烷气体浓度探测处理结果。

进一步的，所述激光甲烷检测模块还包括温度补偿单元；

所述温度补偿单元采取如下温度补偿公式：

其中，ti为红外热像仪测量温度，tl为激光甲烷检测模块测量温度，(tl/ti)temp为温度补偿后激光甲烷检测模块测量温度和红外热像仪测量温度的比值，α为温度补偿计算系数，其值取决于激光甲烷检测模块的特性；根据上述公式(1)对激光甲烷检测模块测量温度进行温度补偿，再根据运算获得测量的甲烷浓度值。

进一步的，根据运算获得测量的甲烷浓度值包括提取探测激光中的气体光谱吸收率信号的数据，通过吸收线函数进行积分或拟合运算得到气体浓度；或者调制激光发射波长，使得气体光谱吸收率信号体现在调制频率的基频和倍频上，通过非奇数信号谐波幅值分析，计算获得气体浓度。

进一步的，还包括电源模块、声报警模块和/或显示模块；

所述电源模块用于为所述红外热像仪和激光甲烷检测模块提供电源；

所述声报警模块用于当检测到甲烷和/或甲烷浓度超过预设阈值时，发出声报警；

所述显示模块用于将检测结果进行显示，所述检测结果包括是否检测到甲烷和/或甲烷浓度值。

本发明的第二方面提供了一种针对甲烷气体泄露的红外成像与浓度检测方法，采用如前所述的针对甲烷气体泄露的红外成像与浓度检测装置进行检测，包括如下步骤：

使用红外热像仪对所需检测区域进行现场红外成像，根据成像结果发现是否存在甲烷气体泄漏点；

如果存在甲烷气体泄漏点，则开启激光甲烷检测模块，以获得该泄漏点的甲烷气体浓度；

所述激光甲烷检测模块将所述获得的甲烷气体浓度通过通讯单元发送给所述红外热像仪；

所述红外热像仪在红外成像画面上的泄漏点区域处标识甲烷气体浓度。

进一步的，所述获得该泄漏点的甲烷气体浓度还包括温度补偿的步骤：

采用如下温度补偿公式：

其中，ti为红外热像仪测量温度，tl为激光甲烷检测模块测量温度，(tl/ti)temp为温度补偿后激光甲烷检测模块测量温度和红外热像仪测量温度的比值，α为温度补偿计算系数，其值取决于激光甲烷检测模块的特性；

根据上述公式(1)对激光甲烷检测模块测量温度进行温度补偿，再根据运算获得测量的甲烷浓度值。

进一步的，根据运算获得测量的甲烷浓度值包括提取探测激光中的气体光谱吸收率信号的数据，通过吸收线函数进行积分或拟合运算得到气体浓度；或者调制激光发射波长，使得气体光谱吸收率信号体现在调制频率的基频和倍频上，通过非奇数信号谐波幅值分析，计算获得气体浓度。

进一步的，还包括声光报警和/或显示结果的步骤；

当检测到甲烷和/或甲烷浓度超过预设阈值时，发出声光报警；

将检测结果进行显示；所述检测结果包括是否检测到甲烷和/或甲烷浓度值。

综上所述，本发明提供了一种针对甲烷气体泄露的红外成像与浓度检测装置和方法，其具有如下有益技术效果：

(1)红外热成像技术通过红外热像仪能够对大面积视窗进行检测以判断视窗内是否有天然气泄漏，实时可视化显示具体的气体泄漏点，所见即所得，泄漏位置及泄漏量一目了然；同时，红外热像仪接收的红外信号不受光电噪声和待测泄漏源的浓度与光程的影响，大范围同时观测，可以快速准确识别定位甲烷泄漏点，大大缩短检测时间，极大提升工作效率。此外，采用非接触式被动成像原理，通过搭配长焦镜头，检测人员可以在远离泄露气体的地方安全工作。

(2)激光甲烷检测技术通过激光甲烷检测模块对甲烷泄漏点进行远距离非接触式测量，可以获得准确的甲烷气体浓度信息，测量误差小范围大，响应速度快，灵敏度高，在不失灵敏度的情况下，其时间分辨率可以在ms量级，激光的高单色性使得测量过程无交叉干扰，测量结果准确可靠，检测功耗低，能够实现检测现场连续实时甲烷浓度的目标监测。

(3)将甲烷气体泄露检测红外热成像技术与激光甲烷检测技术结合，同时实现了非接触式的大面积快速搜索甲烷泄露点与甲烷气体浓度定量检测，实现了比现有单一检测装置更加高效和精确定量的全面检测。

(4)本发明的激光甲烷检测模块以红外热像仪获取的温度作为参照值，采用温度补偿算法，根据激光甲烷检测模块的特性和吸收线函数计算温度补偿系数，以消除温度对甲烷浓度测量精度的影响，提高了甲烷浓度的测量精度。

附图说明

图1为本发明实施例的针对甲烷气体泄露的红外成像与浓度检测装置结构示意图；

图2为本发明实施例的红外热像仪的结构示意图；

图3为本发明实施例的激光甲烷检测模块的结构示意图；

图4为本发明实施例的激光甲烷信号采集处理单元的结构示意图；

图5为本发明实施例的针对甲烷气体泄露的红外成像与浓度检测方法的流程示意图；

图6为本发明另一实施例的针对甲烷气体泄露的红外成像与浓度检测方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

本发明的第一方面提供了一种针对甲烷气体泄露的红外成像与浓度检测装置，如图1所示，包括红外热像仪和激光甲烷检测模块。红外热像仪用于对所需监测区域进行红外成像，以发现甲烷气体泄漏点；激光甲烷检测模块根据红外成像发现的泄漏点进行对准，并测量的甲烷浓度。在红外热像仪中嵌入所述激光甲烷检测模块，激光甲烷检测模块的激光束发射方向与红外热像仪的光轴方向调节为一致，两者之间互相通讯实现数据交互。具体的，可以采用串口或蓝牙的方式进行通讯。

进一步，如图1中的虚线框中所示，该检测装置还包括电源模块、声光报警模块和/或显示模块。电源模块用于为所述红外热像仪和激光甲烷检测模块提供电源；声光报警模块用于当检测到甲烷和/或甲烷浓度超过预设阈值时，发出声光报警；显示模块用于将检测结果进行显示，其中，检测结果包括是否检测到甲烷和/或甲烷浓度值。

进一步的，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。

本发明基于该原理设计甲烷气体检测的红外热像仪，如图2所示，该红外热像仪包括红外焦平面探测器、红外探测器驱动器、红外图像处理器、显示单元、通讯单元。所述红外图像处理器分别与所述红外焦平面探测器、红外探测器驱动器、显示单元和通讯单元连接，对其进行控制，并接收信号。所述红外探测器驱动器与所述红外焦平面探测器连接，用于产生红外探测器所需的供电电压、偏置电压、驱动时序信号，然后对目标辐射的原始红外信号进行采集，然后传输给所述红外图像处理器，如果目标视窗内存在甲烷气体，则采集的原始红外信号即是被甲烷气体进行吸收后的原始红外信号。所述红外图像处理器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所述显示单元，该处理后的数据主要包括红外成像中存在甲烷泄漏点的区域和位置。

进一步的，如图3所示，激光甲烷检测模块包括处理器、激光甲烷信号采集处理单元和通讯单元。处理器与激光甲烷信号采集处理单元连接，用于接收和处理所述激光甲烷信号采集处理单元的信号，并进行相应的信号处理，将处理结果通过通讯单元传输至所述红外热像仪和/或终端设备。

进一步的，如图4所示，激光甲烷信号采集处理单元包括处理器、激光甲烷信号采集处理单元和通讯单元；所述处理器与激光甲烷信号采集处理单元连接，用于接收和处理所述激光甲烷信号采集处理单元的信号，并进行相应的信号处理，将处理结果通过通讯单元传输至所述红外热像仪和/或终端设备。

所述激光甲烷信号采集处理单元包括触发调节器、激光驱动器、激光器和光电探测器；所述触发调节器接收到红外热像仪和/或终端设备发送的探测状态信号，根据探测状态信息，触发调节器发送调节信号至激光驱动器，调节激光器的激光束发射方向与红外热像仪的光轴方向为一致，调节完毕后再发送触发信号至激光驱动器；所述激光驱动器接收触发信号后，根据探测状态信号产生调制信号，以对所述激光器的输出调制，并驱动激光器向甲烷泄漏点发射目标波长的激光；所述光电探测器接收经过反射后的激光，并将所述激光转换为探测信号输出。

所述处理器接收和处理激光甲烷信号采集处理单元的信号包括接收光电探测器输出转换后的探测信号、红外热像仪和/或终端设备通过通讯单元传输的探测状态信号，所述探测信号包括甲烷气体对光强吸收的谱线强度p(t)，所述探测信号包括吸收距离s、红外温度ti，对比吸收光与原始光的谱线强度p(t)，结合吸收距离s、吸收线函数计算获得甲烷气体浓度并输出探测结果。

进一步地，激光器可以采用可调节二极管激光器，该激光器作为探测光源，通过激光驱动器进行激光器的温度和强度的控制，进而调节激光器输出的激光的光强和中心波长。

进一步地，向发射目标波长的激光信号包括使用甲烷气体特征波长范围内的单一窄带的激光频率扫描获得甲烷的气体吸收谱线。对激光器进行调制，发射波长可覆盖被测气体的吸收峰，因而根据分子光谱特征调节激光器，可以使探测对在红外有吸收的活跃分子都有效，从而满足其它组分或混合多组分的测量需求。

激光器发射的探测激光穿射入被测甲烷气体，其中有部分光会被气体吸收，吸收比例取决于射入被测气体的激光的波长，透过气体的激光到达反射物，经反射物反射回来一部分激光，该部分激光再次回穿被测甲烷气体后，被光电探测器接收转换为探测信号输出，处理器对输出探测信号计算获得甲烷气体浓度并输出探测结果。

进一步的，根据朗伯比尔定律，气体浓度与谱线强度具有负相关的比例关系，温度为谱线强度的单一变量，温度值的误差会高度影响测量数值的准确性，而一般情况下，甲烷检测的工作环境复杂，温度变化大，因而本发明的激光甲烷检测模块还包括温度补偿单元，温度补偿单元采取如下温度补偿公式：

其中，ti为红外热像仪测量温度，tl为激光甲烷检测模块测量温度，(tl/ti)temp为温度补偿后激光甲烷检测模块测量温度和红外热像仪测量温度的比值，α为温度补偿计算系数，其值取决于激光甲烷检测模块的特性；根据上述公式(1)对激光甲烷检测模块测量温度进行温度补偿，再根据运算获得测量的甲烷浓度值。

进一步的，根据运算获得测量的甲烷浓度值包括提取探测激光中的气体光谱吸收率信号的数据，通过吸收线函数进行积分或拟合运算得到气体浓度；或者调制激光发射波长，使得气体光谱吸收率信号体现在调制频率的基频和倍频上，通过非奇数信号谐波幅值分析，计算获得气体浓度。

本发明的第二方面提供了一种针对甲烷气体泄露的红外成像与浓度检测方法，采用如前所述的针对甲烷气体泄露的红外成像与浓度检测装置进行检测，如图5所示，包括如下步骤：

步骤s100，使用红外热像仪对所需检测区域进行现场红外成像，根据成像结果发现是否存在甲烷气体泄漏点。如果不存在甲烷气体泄漏点，则此次检测结束。

步骤s200，如果存在甲烷气体泄漏点，则开启激光甲烷检测模块，以获得该泄漏点的甲烷气体浓度；

步骤s300，所述激光甲烷检测模块将所述获得的甲烷气体浓度通过通讯单元发送给所述红外热像仪；

步骤s400，所述红外热像仪在红外成像画面上的泄漏点区域处标识甲烷气体浓度。

进一步的，步骤s200中获得该泄漏点的甲烷气体浓度还包括温度补偿的步骤：

采用如下温度补偿公式：

其中，ti为红外热像仪测量温度，tl为激光甲烷检测模块测量温度，(tl/ti)temp为温度补偿后激光甲烷检测模块测量温度和红外热像仪测量温度的比值，α为温度补偿计算系数，其值取决于激光甲烷检测模块的特性；根据上述公式(1)对激光甲烷检测模块测量温度进行温度补偿，再根据运算获得测量的甲烷浓度值。

进一步的，如图6所示，还包括声光报警和/或显示结果的步骤s500；

当检测到甲烷和/或甲烷浓度超过预设阈值时，发出声光报警；将检测结果进行显示；所述检测结果包括是否检测到甲烷和/或甲烷浓度值。

综上所述，本发明提供了一种针对甲烷气体泄露的红外成像与浓度检测装置和方法，该装置包括红外热像仪和激光甲烷检测模块；红外热像仪用于对所需监测区域进行红外成像，以发现甲烷气体泄漏点；激光甲烷检测模块根据红外成像发现的泄漏点进行对准，并测量的甲烷浓度；在所述红外热像仪中嵌入所述激光甲烷检测模块，激光甲烷检测模块的激光束发射方向与红外热像仪的光轴方向调节为一致，两者之间互相通讯实现数据交互。本发明将甲烷气体泄露检测红外热成像技术与激光甲烷检测技术结合起来，同时实现了非接触式的大面积快速搜索甲烷泄露点与甲烷气体浓度定量检测，实现了比现有单一检测装置更加高效和精确定量的全面检测。

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。