融合超声波和被动式红外成像的气体泄漏检测装置及方法与流程

1.本发明涉及气体检测技术领域，具体涉及一种融合超声波和被动式红外成像的气体泄漏检测装置及方法。


背景技术：

2.在石油化工的生产运输中会使用到十分复杂的设备，这些设备的长期使用或者设计之初存在缺陷都会导致气体泄漏，例如天然气泄漏，这些气体泄漏有可能导致环境污染甚至产生爆炸。快速、有效、定量的检测出气体泄漏点位以及泄漏浓度是安全生产的重要保障。目前石化行业中的检测手段多为手持式固定点检测和激光遥测装置；固定点检测需要工作人员手持设备在每个可能的泄漏点位检测，这样做效率低、不安全，遇到复杂的设备时甚至很难到达检测点位。激光遥测可以实现远距离探测这些点位，不再需要接触式检测；但是激光遥测无法做到快速的大范围筛选检测，如果想实现大范围的筛查需要扫描式激光遥测，扫描式的激光遥测设备扫描时间长，对于检测效率提升没有帮助。
3.被动式红外成像系统可以很好的克服以上缺点，它利用层辐射原理可以实现大范围、无接触、快速的定性检测泄漏点位并输出图像信息。在无法到达的复杂点位时，只需要使用被动式红外成像系统对准该点位即可检测出是否有泄漏，这种检测方法可以做到快速判别并且能让无色气体可视化。
4.但被动式红外成像系统一般只能针对特定的气体，无法全面的筛选泄漏点，例如现在的被动式气体红外成像系统多使用3.3um的波段检测碳氢类气体，其他气体泄漏就无法做到有效检测。除此外，被动式气体红外成像无法做到定量检测。在实际使用中，工作人员需要根据泄漏气体量做一些紧急的安全措施。所以在实际使用中需要一种既能快速、准确、大范围、可视化的定性检测又能无接触定量检测的方法。
5.超声波是频率高于20khz的声波，其强大声场易于汇聚，多用于声学传感探测。在石化行业中气体存储或者运输都会和外界有一定的压差，一旦气体泄漏就会形成湍流，而湍流在泄漏孔位置会产生超声波。气体泄漏量的大小还可以根据泄漏点位的内外压力等信息估算得出。


技术实现要素：

6.针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种融合超声波和被动式红外成像的气体泄漏检测装置及方法，以解决目前采用被动式气体红外成像方法检测气体泄漏所存在的检测气体种类有限制、无法检测到泄漏气体的浓度、流量值等缺陷。
7.为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：一种融合超声波和被动式红外成像的气体泄漏检测装置，包括壳体，壳体的前部安装有光学探测组件和超声波探测组件，壳体的内部设置有中控模块和数据对比模块，光学探测组件、超声波探测组件和数据对比模块均与中控模块相连接。
8.所述光学探测组件包括红外探测器和可见光成像ccd，红外探测器和可见光成像
ccd均与中控模块相连接。
9.所述超声波探测组件采用超声波探测器，超声波探测器连接有超声波信号处理模块，超声波信号处理模块与中控模块相连接。
10.所述壳体上设有显示屏，壳体的内部设置有电源，显示屏和电源均与中控模块相连接。
11.所述壳体上还设有散热模块，散热模块与中控模块相连接。
12.一种所述的融合超声波和被动式红外成像的气体泄漏检测装置的检测方法，包括如下步骤：步骤一：利用光学探测组件探测所监测区域内的气体泄漏点，并获取气体泄漏点的点位成像信号，将获取的点位成像信号传输给中控模块，中控模块输出点位图像；步骤二：中控模块根据气体泄漏点的点位图像得出气体泄漏点的孔径预估值a；步骤三：获取气体泄漏点的内外压力值并输入给中控模块；步骤四：中控模块根据气体泄漏点的孔径预估值a和内外压力值计算出气体泄漏流量值a；步骤五：将气体泄漏流量值a输入给数据对比模块，数据对比模块筛选出与气体泄漏流量值a接近的气体泄漏流量对比值b，然后数据对比模块将气体泄漏流量对比值b所对应的孔径对比值b反馈给中控模块，中控模块判断孔径预估值a与孔径对比值b之间相差是否超过阈值范围；步骤六：若中控模块判断得到孔径预估值a与孔径对比值b之间相差超过阈值范围，则重复步骤一至步骤五，直至得到与孔径对比值b相差最小的孔径预估值a；步骤七：中控模块将步骤六中得到的孔径预估值a所对应的气体泄漏流量值a融入相应的点位图像中，实现气体泄漏检测过程。
13.所述步骤一中光学探测组件的探测路径包括有泄漏气体探测路径和无泄漏气体探测路径，其中红外探测器接收探测波段内有泄漏气体探测路径的红外光辐射和无泄漏气体探测路径的红外光辐射，经光电转换得到点位成像信号并传输给中控模块。
14.利用超声波探测组件获取红外探测器探测波段以外的气体泄漏点，然后通过可见光成像ccd获取气体泄漏点的点位图像并传输给中控模块。
15.所述气体泄漏流量值a的计算方法为：式中：a为气体泄漏流量、s为泄漏孔径面积、rg为气体常数、t1为泄漏容器内的温度、p2为环境压力即泄漏口上游压力、p1泄漏口下游压力、p0为大气压力、k为气体的等熵值数。
16.所述孔径预估值a与孔径对比值b之间差值的阈值范围设置为0~10%。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果为：利用光学探测组件所形成的被动式红外成像系统可以定性的获得所监测区域内的气体泄漏点位，以得到气体泄漏点的图像信息，并根据图像信息得的气体泄漏点的孔径预估值；利用超声波探测组件获取气体泄漏点的内外压力值，超声波探测组件具有可检测
气体种类多的优点；最后根据气体泄漏点的孔径预估值和内外压力值计算出气体泄漏流量值；本发明融合超声波和被动式红外成像可以获得含有泄漏量信息的气体泄漏点位图像，还可以补全被动式红外成像系统测量气体有限的缺点。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1为本发明的原理图；图2为本发明的结构示意图；图3为本发明中模拟计算气体泄漏点的孔径预估值a的示意图，其中，图3（x）为模拟计算孔径预估值a的参考图像，图3（y）为模拟计算孔径预估值a的放大图像。
20.图中：1为光学探测组件，2为超声波探测组件，3为数据对比模块，4为中控模块，5为超声波信号处理模块，6为电源，7为显示屏，8为散热模块。
具体实施方式
21.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
22.实施例1，如图2所示，本发明提供了一种融合超声波和被动式红外成像的气体泄漏检测装置，包括壳体，壳体的前部安装有光学探测组件1和超声波探测组件2，壳体的内部设置有中控模块4和数据对比模块3，光学探测组件1、超声波探测组件2和数据对比模块3均与中控模块4相连接。进一步地，所述光学探测组件1作为气体探测器使用，其包括型号为红外探测器和可见光成像ccd，其中红外探测器的型号为gcm04a，为高芯科技产品，其波段在3.2-3.5um，是专用的气体探测焦平面阵列探测器，其材料是碲镉汞。红外探测器和可见光成像ccd均与中控模块4相连接，红外探测器用于探测其探测波段内是否有气体泄漏并获取相应的红外图像，可见光成像ccd用于获取红外探测器的探测波段以外的气体图像。所述超声波探测组件2采用型号为ru100的超声波探测器，超声波探测器连接有超声波信号处理模块5，超声波信号处理模块5与中控模块4相连接，超声波探测器可用于探测红外探测器的探测波段以外的气体泄漏点，也可用于探测气体泄漏点的内外压力值。
23.上述的红外探测器、可见光成像ccd、超声波探测器均作为信号采集单元采集气体泄漏的点位信息，并将所采集的信息传输给中控模块4进行处理，同时中控模块4将处理后的信号发送给数据对比模块3，数据对比模块3内存储有不同大小的气体泄漏点所对应的孔径大小、内外压力大小以及根据孔径和内外压力计算得到的气体泄漏流量等数据。数据对比模块3中是以泄漏点孔径大小和内外压力值大小为基础储存历史气体泄漏流量值，并以孔径、内外压力以及泄漏流量等数值建立的，即以历史实际数据支撑，在该探测装置使用前输入历年气体泄漏孔径以及泄漏量等信息；同时数据对比模块3中的气体泄漏流量也可以
是通过模型计算得到的，即根据计算公式来获得的，式中：a为气体泄漏流量、s为泄漏孔径面积、rg为气体常数、t1为泄漏容器内的温度、p2为环境压力即泄漏口上游压力、p1泄漏口下游压力、p0为大气压力、k为气体的等熵值数。数据对比模块3内所存储的数据作为对比值，用于与实际检测时所采集的数据进行比对，以提高所采集数据的准确性。
24.进一步地，所述壳体的内部还设置有电源6，壳体的前部或上部设有显示屏7，电源6和显示屏7均与中控模块4相连接，中控模块4将气体泄漏量信息与图像信息融合处理后上传至显示屏7上。电源6用于为整个检测装置进行供电。壳体的侧部或下部设有散热模块8，散热模块与中控模块4相连接，壳体内所产生的热量可通过散热模块排出去。
25.实施例2，本发明还提供了一种所述的融合超声波和被动式红外成像的气体泄漏检测装置的检测方法，包括如下步骤：步骤一：利用光学探测组件1探测所监测区域内的气体泄漏点，并获取气体泄漏点的点位成像信号。本实施例中采用被动式红外成像的方式来探测所监测区域内是否存在气体泄漏点。被动式红外气体成像是以自然环境为背景，自然环境中辐射出红外光，探测路径包括有泄漏气体探测路径和无泄漏气体探测路径，光学探测组件1的红外探测器接收探测波段内经过泄漏气体的红外光辐射和没有经过泄漏气体的红外光辐射，然后将获取的点位成像信号传输给中控模块4，经中控模块4处理后输出点位图像。其成像理论基于层辐射理论。如图1所示，简化的层辐射理论是把红外探测器与背景之间的区域从前向后依次分成a、b、c三层，b层是以泄漏气体的边缘为分界线；根据辐射传输方程可以计算有泄漏气体路径和无气体泄漏路径这两种路径的辐射大小，而路径经过泄漏气体的红外光会被泄漏气体吸收一部分，导致红外探测器所接收到的红外光辐射减小，路径未经过泄漏气体的红外光辐射大小不变，红外探测器接收不同大小的辐射并传输给中控模块4，最后输出点位图像。
26.对于红外探测器探测波段以外的气体泄漏点是利用超声波探测组件2来进行探测，然后通过可见光成像ccd获取气体泄漏点的附近图像并传输给中控模块4，最后输出融合后含有点位标识的可见光图像。
27.所述的中控模块4根据成像结果判断出所监测区域内是否存在气体泄漏点，如果监测区域内未发生气体泄漏，则最终得到的气体图像相同，表明监测区域内不存在气体泄漏点；如果判断出监测区域内有气体泄漏点，中控模块4将信号反馈给超声波探测组件2和显示模块7。
28.步骤二：所述的中控模块4根据气体泄漏点的点位图像得出气体泄漏点的孔径预估值a。
29.具体方法如图3所示，其中图3（x）为模拟计算孔径预估值a的参考图像，图3（y）为模拟计算孔径预估值a的放大图像。图3（x）中含有两个储油罐，其中左边的储油罐有泄漏点位，在实际测量中，储油罐的长宽高或者直径都可以从厂商处得到。可以从图3（x）中得到储油罐的实际尺寸，并将其当作参考物体。通过现有的基于单目视觉的度量方法（参考网址https://zhuanlan.zhihu.com/p/334363006）能够根据图3（x）中的参考物体尺寸首次预估到泄漏点的尺寸。由于储油罐体积很大，而泄漏点很小，无法准确的预估泄漏点孔径大小，
这时候可以使用检测装置的放大功能，如图3（y）所示，首先在图像中标定储油罐的底部，以此为基准放大成像，假如储油罐高10m，放大5倍，放大图像中露出储油罐有2m，以此为基准再次预估泄漏点的孔径。采用此方法最后得到气体泄漏点的孔径预估值a。
30.步骤三：获取气体泄漏点的内外压力值并输入给中控模块4，其中气体泄漏点的内压力（即储存罐的内部压力）可以直接从厂商处获得，其外部压力即为大气压，可通过压力计测得。
31.步骤四：中控模块4根据气体泄漏点的孔径预估值a和内外压力值计算出气体泄漏流量值a。
32.步骤五：将气体泄漏流量值a输入给数据对比模块3，数据对比模块3从其所存储的数据中筛选出与气体泄漏流量值a接近的气体泄漏流量对比值b，然后数据对比模块3将气体泄漏流量对比值b所对应的孔径对比值b反馈给中控模块4，中控模块4判断孔径预估值a与孔径对比值b之间相差是否超过阈值范围，本实施例中设定孔径预估值a与孔径对比值b之间相差不超过阈值即为符合条件，用户可根据需求调整阈值，例如阈值范围可设置为0~10%。
33.步骤六：若中控模块4判断得到孔径预估值a与孔径对比值b之间相差超过阈值范围，则重复步骤一至步骤五，即重新获取点位图像，用新的点位图像预估出孔径值。比如第一次预估的时候，选取的参考物是储气罐，高15米，但是泄漏点只有10厘米左右，这时候预估非常不准确。中控模块4可以下达倍数放大功能，即标定一个点不动，放大三倍，重新获取图像，此时图像中参考物储气罐是5米显示，但是泄漏点的10厘米没有边，这时候再预估就更加准确了。以此为重复检测标准，重复步骤一至步骤五，直至得到与孔径对比值b相差最小的孔径预估值a。
34.步骤七：中控模块4将步骤六中得到的孔径预估值a所对应的气体泄漏流量值a融入相应的点位图像中，使得红外成像中既包含气体轮廓，又含有气体泄漏孔径、压力信息、气体泄漏量等，实现气体泄漏检测过程。
35.本发明采用被动式红外成像系统可以定性的获得气体泄漏点位，声学测量可实现检测气体种类多的目的，最后根据气体泄漏点的孔径预估值和内外压力值计算出气体泄漏流量值；本发明融合超声波和被动式红外成像可以获得含有泄漏量信息的气体泄漏点位图像，还可以补全被动式红外成像系统测量气体有限的缺点。
36.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。