CN103292159A - 一种基于成像的甲烷泄漏检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于成像的甲烷泄漏成像检测装置，属于测量传感器技术领域。具体包括前置光学模块、红外成像模块和数据处理和显示模块。前置光学模块的窄带滤波器件安装在红外光学镜头后方，与红外光学镜头之间采用螺纹接口连接；红外成像模块的红外焦平面的感应面位于前置光学模块的后焦面，图像处理及显示模块的图像处理组件通过电子电路与红外成像模块的数模转换组件相连，通过网线、PCI或USB线缆与图像处理及显示模块的图像显示设备相连。根据气体红外吸收原理，若目标区域无泄漏发生，图像显示设备显示目标区域的背景图像；如有泄漏发生，背景辐射经过泄漏气团吸收后能量减弱，此区域辐射能量经过***聚焦、成像后，在图像显示设备以黑烟的形式显示，以达到监测及泄漏点定位的目的。

Description

一种基于成像的甲烷泄漏检测装置

技术领域

本发明涉及一种基于成像的甲烷泄漏成像检测装置，属于测量传感器技术领域。

背景技术

天然气（主要成分为甲烷）的输送目前主要借助预先铺设的管网***。长时间使用后，输气管网中的管线接头、阀组甚至管线本身都可能出现不同程度老化，致使甲烷气体泄漏。此类泄漏不仅会导致资源浪费，也会给整个管网带来严重的安全隐患。因此，确认并定位甲烷气体泄漏源是一项非常重要的工作。

目前应用于甲烷气体的检测方式主要有载体催化燃烧式、热导式、光干涉式、红外吸收式等。其中前三种方式都需要在相对稳定的环境下利用扩散或主动吸入的方式将待测气体充满设备附带的气室才能进行后续测试。这些仪器虽然在灵敏度上能够达到监测要求，但普遍存在响应速度慢，效率低的问题。而且，这些仪器监测方式均属于接触式监测，需要在污染云团到达传感器附近才能被监测到，在需要对大范围区域进行监测时，采用这些传感器会十分昂贵。因此，目前国内外研究机构对于泄漏检测方案偏向于基于红外吸收的检测方法。比如黑龙江科技学院提出的“便携红外吸收式甲烷检测仪”（201120380332.9）、潍坊永能达新能源科技有限公司提出的“一种激光甲烷检测器”（201120357906.0）等。此类方案在一些具体环节处理思路有所区别，但具有如下所述的共同技术路线特征：

1）采用甲烷强吸收峰附近波段光源照射待检测区域；2）光源发出的红外光经过甲烷气体后能量被吸收一部分，强度减弱；3）采用合适的传感器接收减弱后的红外光并测定其强度；4）对比光源发出的红外光强度及吸收后的红外光强度，并进一步计算出待测区域的甲烷气体浓度。

上述类型方案在检测特定区域甲烷浓度应用方面比较有效，但是在处理天然气输送管网中甲烷泄漏检测时存在一定技术缺陷，主要表现为：

此类方案中传感器均采用单点传感器，检测的是视场内的平均甲烷浓度，由此带来如下矛盾：如果监测视场角较小，则无法满足大面积监测需求；如果监测视场角较大，则无法实现泄漏点精确定位需求。另一方面，对于比较小的泄漏点，本身泄漏量就比较小，再经过场景平均后浓度极小，上述方案一般无法有效检测。

发明内容

天然气传输环节中甲烷气体泄漏检测的特点在于：1）需监测面积大；2）管网分布密集、对泄漏点定位精度需求较高；3）主要关注可疑泄漏点识别，不要求精确的浓度监测。

本发明的目的是针对上述背景技术的不足和甲烷气体泄漏检测的特点，提出了一种基于成像的甲烷泄漏检测装置。

本发明是通过以下技术方案实现的。

一种基于成像的甲烷泄露检测装置，包括前置光学模块、红外成像模块和数据处理和显示模块。所述的前置光学模块、红外成像模块和数据处理和显示模块依次连接。

本发明实现甲烷气体泄漏的核心原理是气体红外吸收原理：当光源的发射波长与气体的吸收波长相吻合时，就会发生共振吸收，其吸收强度与该气体的浓度有关，气体浓度越高吸收就越强。

对比现有技术，本发明的有益效果在于：本发明方法基于成像方式实现泄漏检测，泄漏气团以非常直观的黑烟形式展现，与现有方案相比，本发明主要有以下几点优势：

1.     在泄漏点识别、泄漏点定位等环节具有明显的便利性；

2.     能同时识别同一视场内的多个泄漏点；

3.     不需要精确测定甲烷浓度，因此可以将光源及信号调制解调等传统组件省略，有效降低了***的复杂性，更便于野外现场架设及使用

 附图说明

图1为本发明一种实施例的结构框图；

 具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行解释。

一种基于成像的甲烷泄露检测装置，包括前置光学模块、红外成像模块和数据处理和显示模块。所述的前置光学模块、红外成像模块和数据处理和显示模块依次连接。

（1）前置光学模块1主要负责将被检测区域发出的红外光滤波后成像于红外焦平面7位置，包括红外光学镜头4、窄带滤波器件5；

所述的红外光学镜头4为适合观测视场的普通红外镜头；

所述的窄带滤波器件5为透过波段为甲烷气体强吸收波段3.3um左右的窄带滤波器，窄带滤波器件5安装在红外光学镜头4后方，与红外光学镜头4之间采用螺纹接口连接；

（2）红外成像模块2负责将前置光学***1所成光学像转化为数字图像，包括真空腔6、红外焦平面7、制冷组件8、电源控制组件9、时序控制组件10、模数转换组件11；

所述的真空腔6主要用于隔离腔内外热交换，为腔内的红外焦平面7、制冷组件8低温工作提供必要环境；

所述红外焦平面7、制冷组件8封装于真空腔6内，与真空腔6内壁固连。

所述的红外焦平面7为响应范围覆盖甲烷气体强吸收波段3.0um~3.5um的面阵红外焦平面组件，其感应面位于前置光学模块1的后焦面；

所述的制冷组件8负责将真空腔6内的温度保持在适合红外焦平面7工作的低温；所述电源控制组件9、时序控制组件10、模数转换组件11通过线缆或特制的接口卡与真空腔外壁的针脚相连，实现与红外焦平面及制冷机的连接。

所述的电源控制组件9负责提供红外焦平面7、制冷组件8工作所需的稳定电源；

所述的时序控制组件10负责向红外焦平面7提供正常工作的时序触发信号；

所述的模数转换组件11负责将红外焦平面7输出的模拟电平信号转换为数字图像信号；

（3）图像处理及显示模块3负责对红外成像***输出的图像信号进行优化、增强并可视化显示，包括图像处理组件12、图像显示设备13；

所述的图像处理组件12采用FPGA实现图像均匀性校正、图像增益调整等优化处理，并将结果输出至图像显示设备13；

所述的图像显示设备13采用普通PC机，除图像显示外还包含图像数据储存功能。

所述图像处理组件12与图像显示设备13之间应采用网线、PCI或USB线缆连接以实现数据传输。

***工作时，目标区域的背景辐射经过红外光学镜头4聚焦、窄带滤波器件5滤波，3.3um波长附近的辐射能量被成像于红外焦平面7；时序控制组件10发出时序控制信号，控制红外焦平面7将接收到的辐射能量正确的转换为模拟电信号；再由模数转换组件11将模拟电信号转换为数字视频信号；此数字视频信号经过图像处理组件12优化后在图像显示设备13中展示。

此工作过程中真空腔6、制冷组件8、电源控制组件9、为***正常工作提供环境及电源保障。

实际监测时，图像显示设备上显示的是目标区域在***响应波段范围内的红外图像。如无泄漏发生，背景与监测装置之间无明显吸收，背景在红外波段的辐射能量直接被聚焦成像在红外焦平面，经***处理，图像显示设备上显示的是背景图像；如有泄漏发生，背景辐射经过泄漏气团吸收后能量减弱，此区域辐射能量经过***聚焦、成像后，将在监测终端以黑烟的形式显示，以达到监测及泄漏点定位的目的。

Claims (5)

1.一种基于成像的甲烷泄漏成像检测装置，其特征在于：包括前置光学模块、红外成像模块和数据处理和显示模块；

所述的前置光学模块包括红外光学镜头和窄带滤波器件；

所述的红外成像模块包括真空腔、红外焦平面、制冷组件、电源控制组件、时序控制组件、模数转换组件；

所述的图像处理及显示模块，包括图像处理组件、图像显示设备；

上述各组成部分的连接关系为：前置光学模块的窄带滤波器件安装在红外光学镜头后方，与红外光学镜头之间采用螺纹接口连接；红外成像模块的红外焦平面的感应面位于前置光学模块的后焦面，红外成像模块的红外焦平面、制冷组件均封装于真空腔内，与真空腔内壁固连，红外成像模块的电源控制组件、时序控制组件、数模转换组件通过线缆或特制的接口卡与真空腔外壁的针脚相连，实现与红外焦平面及制冷机的连接，电源控制组件为红外焦平面、制冷组件提供所需的稳定电源，时序控制组件提供红外焦平面正常工作的时序触发信号；图像处理及显示模块的的图像处理组件通过电子电路与红外成像模块的数模转换组件相连，通过网线、PCI或USB线缆与图像处理及显示模块的图像显示设备相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于成像的甲烷泄漏成像检测装置，其特征在于：所述的窄带滤波器件为透过波段为甲烷气体强吸收波段3.3um左右的窄带滤波器。

3.根据权利要求1所述的一种基于成像的甲烷泄漏成像检测装置，其特征在于：所述的红外焦平面为响应范围覆盖甲烷气体强吸收波段3.0um~3.5um的面阵红外焦平面组件。

4.根据权利要求1所述的一种基于成像的甲烷泄漏成像检测装置，其特征在于：所述的图像处理组件采用FPGA实现图像均匀性校正、图像增益调整等优化处理。

5.根据权利要求1所述的一种基于成像的甲烷泄漏成像检测装置，其特征在于：所述的图像显示设备13采用普通PC机，除图像显示外还包含图像数据储存功能。

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