1、安全、健康环境安全技术2023 年第 23 卷第 2 期DOI:103969/jissn1672-7932202302005SAFETY HEALTH ENVIONMENT28国产非制冷气体泄漏红外成像检测技术试验研究*迟晓铭(中石化安全工程研究院有限公司化学品安全控制国家重点实验室，山东青岛266104)收稿日期:2022-08-09作者简介:迟晓铭，工程师，2019 年硕士毕业于天津大学光学工程专业，现主要从事气体泄漏检测、红外成像技术方向的研究工作。*基金项目:中国石油化工股份有限公司科技部项目(321087)，基于多维传感参量融合的智能巡检技术。摘要:针对石化企业气体泄漏检测问题，对常
2、见气体甲烷、乙烯、环氧乙烷进行红外成像检测技术试验研究，完成非制冷型泄漏检测关键模组选型测试，对比分析国产非制冷红外成像技术与进口制冷红外成像技术在不同检测距离、气体流量、镜头焦距、检测模式下的性能。试验结果表明，非制冷型气体红外成像检测技术可实现 150 m距离，小于 0.5 m2的气体泄漏目标检测，适合作为企业气体泄漏长周期监测技术手段，并提出使用建议。关键词:气体泄漏;红外成像;泄漏检测;光学检测;非制冷探测器中图分类号:TQ9文献标识码:A文章编号:1672-7932(2023)02-028-070前言石化企业气体泄漏会造成严重的经济损失和社会危害，气体泄漏检测主要依靠固定式报警器，红
3、外成像检测技术由于其大范围、远距离、形象直观等优势，逐渐发展成为石化企业气体泄漏检测的有效手段之一1-4。目前，市面上常见的便携式红外成像检测仪多为测温型成像仪，实现对监测视场内的温度分布成像，用于设备异常检测5-8、检疫防疫、森林防火、建筑维护检测9，10等，不具备检测气体泄漏的能力。现有的气体泄漏红外成像仪大部分采用国外进口制冷型探测器，寿命低、成本高，不适合长周期监测，且探测器阵列受到制约。加拿大 Telops 公司生产的红外高光谱成像仪可通过测量光谱获得待测物质组分，但设备成本较高，系统运行速度慢11。美国FLI 公司是发展较早的代表性红外热像仪生产厂家，该公司技术较为成熟，已生产出能
4、检测甲烷、乙烯、六氟化硫等不同气体众多型号的便携式气体热像仪，结构简单、操作方便，已在部分石化企业气体泄漏检测中发挥重要作用12。基于非制冷探测器的进口非制冷型红外成像设备如法国 Bertin 公司的 SecondSight 气体成像仪、美国 ebellion 公司的气云成像设备 GCI，通讯负载高，价格昂贵13-15。随着国产化技术水平的提高，非制冷型长寿命红外成像探测器逐步具备产业化能力。基于国产化、非制冷红外成像探测器，完成针对甲烷、乙烯、环氧乙烷气体的红外成像关键模组选型测试，开展红外成像检测技术性能研究，为企业应用气体红外成像技术提供技术支持。1试验原理及材料11气体泄漏红外成像检测
5、技术原理气体泄漏红外成像检测技术的原理是基于气体分子的红外吸收16。气体分子吸收特定波段2023 年第 23 卷 2 期安全技术SAFETY HEALTH ENVIONMENT29的红外辐射发生能级跃迁，不同种类的气体对应不同的光谱特征吸收峰。气体泄漏红外热成像技术通过在探测器前添加窄带滤光片，响应待检测气体的光谱特征吸收峰，探测气体的红外吸收与背景红外辐射的能量差异，实现气体泄漏成像检测。气体的红外特征吸收峰与成像系统覆盖的波段范围相匹配是气体泄漏成像检测的前提条件，常见气体分子吸收波段主要集中在中波波段(35m)和长波波段(812 m)，甲烷、乙烯的红外吸收光谱见图 117。气体目标传输至
6、探测系统的过程可通过层辐射传输模型表示18，理论上，在检测路径上，无气体泄漏时的红外辐射量与有气体泄漏时的红外辐射量的差值大于红外成像仪的灵敏度，气体目标就能被探测到。图 1甲烷、乙烯气体红外吸收光谱12试验材料针对甲烷、乙烯、环氧乙烷气体光谱吸收特征，开展国产化非制冷关键模组选型，并与国外同类技术进行成像性能对比测试，试验材料与设备见表 1，其中，流量计控制输出气体的流量，激光测距仪测量气体与检测设备间的距离，比较不同设备在不同距离、不同流量下的响应情况。2气体泄漏红外成像测试试验及结果21甲烷泄漏红外成像对比测试针对甲烷气体分子红外吸收光谱，采用 FLIGF320 与国产化技术进行成像性能
7、对比测试。GF320 镜头焦距分别为 38，92 mm，探测器波段3.23.4 m，响应甲烷在中波波段的红外特征吸收峰。国产化设备(非制冷-1)镜头焦距 40 mm，探测器前带通滤光片的高通带宽 78.7 m，响应甲烷在中长波波段的红外特征吸收峰。在不同监测距离10，30，60，100 m 处，分别释放5，3，1 L/min不同流量的甲烷气体，监测成像结果，试验装置如图 2 所示，成像测试结果见表 2，表中“有”、“弱”、“无”分别表示气体羽流清晰可见、气体羽流若有若无和人眼看不到气体。表 1试验材料与设备序号品类参数规格1甲烷气体8 L 气瓶，体积分数 9999%2乙烯气体8 L 气瓶，体积
8、分数 9999%3环氧乙烷气体4 L 气瓶，体积分数 9999%4减压阀标准规格5流量计05 L/min6激光测距仪测距范围 751 600 m7甲烷红外成像仪制冷型 FLI-GF320(38 mm)，制冷型 FLI-GF320(92 mm)，非制冷-18乙烯红外成像仪制冷型 FLI-GF306(38 mm)，非制冷-2，非制冷-39环氧乙烷红外成像仪非制冷-4图 2甲烷气体泄漏测试装置迟晓铭国产非制冷气体泄漏红外成像检测技术试验研究安全、健康环境安全技术2023 年第 23 卷第 2 期SAFETY HEALTH ENVIONMENT30表 2甲烷气体红外成像测试结果距离/m流量/(Lmin
9、1)非制冷1GF320 镜头焦距/mm3892105有有有3弱有有1无无，HSM 有无，HSM 有305弱有有3弱弱有1无无，HSM 无有605无弱有3无无，HSM 无弱1无无，HSM 无无，HSM 无1005无无，HSM 无有3无无，HSM 无弱1无无，HSM 无无，HSM 无表 2 中 HSM 为 FLI 设备自带的高灵敏模式，该模式通过图像处理方法，增强视频帧间差异，可增强成像仪的热灵敏度，共 7 档，17 档效果逐渐增强，试验中使用 1 档。图 3 为 30 m 距离，5 L/min 的甲烷气体泄漏时，不同设备的红外成像结果，红色方框表示气体云团。图 4 为 10 m 距离，1 L/m
10、in 的甲烷气体泄漏时，FLI GF320 在不同焦距时，红外模式与HSM 模式的成像结果。普通红外模式下，两种焦距的红外成像仪均观察不到气体目标，HSM 模式下，红外成像仪的热灵敏度增强，气体目标清晰可见。图 3距离 30 m，流量 5 L/min 甲烷气体泄漏成像结果图4距离10 m，流量1 L/min 甲烷气体泄漏成像结果22乙烯泄漏红外成像对比测试针对乙烯气体分子红外吸收光谱，采用 FLIGF306 与国产化技术进行成像性能对比测试。GF306 镜头焦距 38 mm，探测器波段 10.3 10.7m，国产化设备(非制冷-2、非制冷-3)镜头焦距分别为 40，100 mm，探测器前的滤光
11、片中心波长10.6 m，响应乙烯在长波波段的红外特征吸收峰。在不同监测距离30，80，120，170 m 处，分别释放 5，3，1 L/min 不同流量的乙烯气体，监测成像结果。试验装置见图 5，成像测试结果见表 3，表中HSM 使用 1 档。2023 年第 23 卷 2 期安全技术SAFETY HEALTH ENVIONMENT31图 5乙烯气体泄漏测试装置表 3乙烯气体红外成像测试结果距离/m流量/(Lmin1)非制冷-2(100 mm)非制冷-3(40 mm)GF306(38 mm)305有有有3有有有1有有有805有弱有3有弱弱1弱无无1205有弱弱，HSM 有3有无弱，HSM 有1无
12、无无，HSM 有1705有弱弱3弱无无，HSM 无1无无无，HSM 无图 6 为 80 m 距离，5 L/min 的乙烯气体泄漏时，不同设备的红外成像结果，红色方框表示气体云团。图 6距离 80 m，流量 5 L/min 乙烯气体泄漏成像结果23环氧乙烷泄漏红外成像对比测试针对环氧乙烷气体分子红外吸收光谱，采用国产化成像模组(非制冷-4)镜头焦距 40 mm，探测器 314 m，对关键组件滤光片进行选型测试。环氧乙烷红外吸收光谱见图 7(a)，滤光片光谱响应见图 7(b)、(e)，规格分别为:带通滤光片 1，中心波长10.6 m，宽带通滤光片 2，通光波段 10.312.5m。在室外开放空间
13、10 m 距离处，释放 3 L/min 的环氧乙烷，对不同规格的滤光片进行成像性能测试，成像结果见图7，图7(c)、(d)分别为滤光片1 时可见光检测结果及红外成像检测结果，(f)、(g)分别为滤光片2 时可见光检测结果及红外成像检测结果。图中红色方框表示泄漏气体云团。根据成像结果，滤光片2 较滤光片1 性能更优，气体羽流清晰可见。气体的红外特征吸收峰与成像系统覆盖的波段范围相匹配是气体泄漏成像检测的前提条件，确定检测环氧乙烷的滤光片规格后，对红外成像数据采集设备进行性能测试。采用 FLI GF320与国产化设备(非制冷-4)进行成像性能对比测试，GF320 镜头焦距 38 mm，探测器波段
14、3.23.4m，响应环氧乙烷在中波波段的红外特征吸收峰。非制冷-4 镜头焦距 40 mm，探测器前带通滤光片的高通带宽 10.312.5 m，响应环氧乙烷在长波波段的红外特征吸收峰。在 50 m 距离处，释放 3，2，1 L/min 不同流量的环氧乙烷，在 65 m 距离处，释放 3 L/min 环氧乙烷，监测成像结果。试验装置及成像结果见图 8，图中红色方框表示气体云团，结果见表 4。迟晓铭国产非制冷气体泄漏红外成像检测技术试验研究安全、健康环境安全技术2023 年第 23 卷第 2 期SAFETY HEALTH ENVIONMENT32图 7环氧乙烷气体泄漏成像检测图 8距离 50 m，流
15、量 3 L/min 环氧乙烷泄漏成像结果表 4环氧乙烷气体红外成像测试结果距离/m流量/(Lmin1)非制冷-4GF320503有有2弱弱1无无653无无24目标识别能力测试气体泄漏红外成像系统对目标的识别能力可根据约翰逊准则估算19-20。约翰逊准则是指在50%的概率下，以目标等效条纹的分辨力来鉴别目标的方法，探测、识别和辨认目标物体对应的等效条纹数 n 至少是 1，4，821-22。对气体泄漏红外成像系统，一定距离下，系统所能探测到的目标尺寸由监测距离 L、空间分辨率IFOV 决定，目标尺寸 D 为:D=nLIFOV(1)其中，空间分辨率 IFOV 一般由像元尺寸(d)与焦距(f)的比值得
16、出，即:IFOV=d/f(2)目标尺寸 D 为几何平均尺寸:D=WH(3)式中:W 检测目标的宽度，m;H 检测目标的高度，m;WH 为检测目标的有效尺寸，m2。以国产化非制冷红外成像设备为例，探测器成像分辨率 640512，像元间距 17 m，红外镜头焦距 100 mm。根据设备参数计算可得，150 m 测2023 年第 23 卷 2 期安全技术SAFETY HEALTH ENVIONMENT33试距离时，可辨认的目标大小为 0.2 m0.2 m。对乙烯红外成像设备进行测试，距离 150 m，乙烯气体流量 5 L/min，气体通过 6 mm 孔径管路释放，设备对泄漏气体清晰辨识，图 9 中红色方框为泄漏气体，视场中气体目标几何平均尺寸约为 0.7 m。图 9距离 150 m、流量 5 L/min乙烯气体泄漏成像结果约翰逊准则为气体红外成像系统的目标识别能力提供了理论依据，但是实际应用时，系统成像结果除了受到镜头焦距、探测器像元尺寸、探测距离等因素影响外，还受到探测器热灵敏度、系统信号处理能力、测试环境、待测目标性质等多种因素影响，需结合使用场景进一步考虑。3结论与建议针对石化领域常见
