摘要：介紹了氣體泄漏紅外成像檢測(cè)技術(shù)的工作原理和分類，綜述了國(guó)內(nèi)外相關(guān)單位的研究進(jìn)展，重點(diǎn)分析了國(guó)外公司對(duì)被動(dòng)式紅外成像檢測(cè)技術(shù)的研究情況，并對(duì)技術(shù)的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。
關(guān)鍵詞：石油化工；環(huán)保；氣體泄漏；泄漏檢測(cè)；紅外成像
石化企業(yè)的氣體泄漏，不僅影響企業(yè)的正常生產(chǎn)，還會(huì)污染環(huán)境，甚至引發(fā)火災(zāi)、爆炸等事故，嚴(yán)重威脅社會(huì)和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。相比于傳統(tǒng)的點(diǎn)式檢測(cè)方式，氣體泄漏紅外成像檢測(cè)技術(shù)由于其大范圍、遠(yuǎn)距離、快速定位泄漏源、動(dòng)態(tài)直觀等優(yōu)勢(shì)逐漸成為泄漏檢測(cè)的有效手段之一[1]。
1、紅外成像檢測(cè)技術(shù)的原理及分類
紅外成像檢測(cè)技術(shù)的原理是基于氣體的紅外吸收。氣體分子吸收特定波段的紅外輻射而發(fā)生能級(jí)躍遷，因此氣體泄漏前后，環(huán)境中的紅外輻射能量會(huì)產(chǎn)生差異，這一特性被用來(lái)檢測(cè)氣體泄漏。常見的氣體分子吸收波段主要集中在近紅外波段(3～5 mm)和遠(yuǎn)紅外波段(8～12 mm)。
紅外成像檢測(cè)技術(shù)分為主動(dòng)式檢測(cè)和被動(dòng)式檢測(cè)[2]。主動(dòng)式檢測(cè)技術(shù)以激光作為激勵(lì)源，信噪比高、靈敏度高，氣體與背景之間不需要溫度差異，但是系統(tǒng)較為復(fù)雜。常見的幾種技術(shù)有差分吸收激光雷達(dá)(DIAL)技術(shù)、可調(diào)諧激光二極管吸收光譜(TDLAS)技術(shù)、傅里葉變換紅外光譜(FTIR)技術(shù)、差分吸收光譜(DOAS)技術(shù)。
被動(dòng)式檢測(cè)技術(shù)是基于氣體分子對(duì)背景的輻射吸收，不需要光源，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但是需要?dú)怏w與背景之間存在溫度差異，信噪比低，圖像處理過(guò)程較為復(fù)雜。被動(dòng)式檢測(cè)技術(shù)分為紅外熱成像技術(shù)和紅外光譜成像技術(shù)。紅外熱成像技術(shù)關(guān)注的重點(diǎn)在于氣體泄漏的探測(cè)和泄漏源的定位，而紅外光譜成像技術(shù)能夠定量檢測(cè)氣體泄漏的濃度并確定氣體種類[3]。
紅外成像檢測(cè)技術(shù)根據(jù)探測(cè)器的種類可以分為制冷型和非制冷型。制冷型探測(cè)器為光子型探測(cè)器，工作原理是在紅外輻射的作用下，材料的載流子濃度發(fā)生變化，在內(nèi)部電場(chǎng)偏壓下產(chǎn)生電學(xué)信號(hào)的輸出。該種材料在室溫下會(huì)增加噪聲水平，從而降低器件的信噪比，因此器件需工作在低溫環(huán)境下。非制冷型探測(cè)器是一種光熱型紅外探測(cè)器，工作原理是利用紅外輻射特有的熱效應(yīng)，將紅外輻射先轉(zhuǎn)換為材料的溫度變化，導(dǎo)致材料的結(jié)構(gòu)或者物理量發(fā)生變化，通過(guò)探測(cè)變化的物理量轉(zhuǎn)換成電學(xué)信號(hào)的輸出[4]。兩種探測(cè)器的特點(diǎn)如表1所示。制冷型紅外探測(cè)器價(jià)格居高不下，且系統(tǒng)的復(fù)雜性高，發(fā)展受到制約。非制冷型紅外探測(cè)器由于其顯著優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)得到了各行業(yè)的關(guān)注，發(fā)展迅速，成為了紅外焦平面探測(cè)器在民用領(lǐng)域的主流產(chǎn)品。
表1 制冷型和非制冷型探測(cè)器的特點(diǎn)
2、被動(dòng)式紅外成像檢測(cè)技術(shù)及現(xiàn)狀
2.1 紅外熱成像技術(shù)
紅外熱成像技術(shù)檢測(cè)氣體泄漏的工作原理是氣體的紅外輻射經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)匯聚后，被紅外探測(cè)器探測(cè)到，這部分輻射能量經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換、信號(hào)處理等過(guò)程，以視頻圖像的形式顯示出來(lái)。
美國(guó)FLIR公司是發(fā)展較早的紅外熱像儀生產(chǎn)廠家，目前該公司已生產(chǎn)出能檢測(cè)甲烷、乙烯、六氟化硫等不同氣體眾多型號(hào)的氣體熱像儀，技術(shù)較為成熟。近年來(lái)，該公司又研制出了本質(zhì)安全型光學(xué)氣體熱像儀FLIR GFx320[5]。該設(shè)備使用銻化銦(InSb)探測(cè)器，紅外分辨率320×240，探測(cè)器像素間距30 mm，NETD
圖1 紅外熱像儀檢測(cè)氣體泄漏
注：紅色標(biāo)記部分為氣體泄漏云團(tuán)
法國(guó)Bertin公司的Second Sight系列氣體成像儀是較早的非制冷紅外成像儀[6]，采用長(zhǎng)波紅外(8～14 mm)非制冷型探測(cè)器。Second Sight系列分為軍用型Second Sight?MS和民用型Second Sight?TC。系統(tǒng)能連續(xù)工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)的監(jiān)測(cè)，且監(jiān)測(cè)到氣體泄漏時(shí)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)。系統(tǒng)可在火焰、蒸氣、煙霧等環(huán)境下識(shí)別出泄漏氣體[7]。
2.2 紅外光譜成像技術(shù)
紅外光譜成像技術(shù)是紅外熱成像技術(shù)與光譜技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，該技術(shù)能同時(shí)實(shí)現(xiàn)基于場(chǎng)景的紅外成像和氣體種類的識(shí)別。根據(jù)光譜分辨率的高低，又可分為多光譜技術(shù)和高光譜技術(shù)。
加拿大的Telops公司是具有代表性的高光譜成像儀的生產(chǎn)廠家，公司研發(fā)生產(chǎn)了一系列基于傅里葉變換的紅外高光譜成像儀，主要有FIRST、Hyper-Cam系列，能提供豐富的二維空間信息及第三維的光譜數(shù)據(jù)。通過(guò)比較測(cè)量光譜與已知?dú)怏w、固體的光譜特征可以快捷地獲得目標(biāo)成分、組成及特性[8-10]。Hyper-Cam成像光譜儀空間分辨率和成像質(zhì)量高，光譜分辨率可通過(guò)軟件選擇從0.25 cm-1到150 cm-1，實(shí)現(xiàn)石化企業(yè)的氣體泄漏監(jiān)測(cè)。朱亮等人[11]利用Hyper-Cam傅里葉紅外光譜儀進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并在某公司乙烯裝置開展了現(xiàn)場(chǎng)泄漏檢測(cè)與識(shí)別應(yīng)用，根據(jù)結(jié)果提出了一種有助于石化生產(chǎn)安全隱患排查與事故應(yīng)急處置的方法。但是，高光譜成像技術(shù)成本較高，由于要完成光譜掃描，系統(tǒng)運(yùn)行速度較慢。
美國(guó)Rebellion光電公司研發(fā)的非制冷氣云成像(GCI)系統(tǒng)利用高光譜成像技術(shù)和精確的探測(cè)算法能準(zhǔn)確定位泄漏源、測(cè)量泄漏氣體的體積和濃度[12]。GCI相機(jī)可以檢測(cè)泄漏到3 200 m外的氣體，檢測(cè)高度達(dá)30 m，儀器可擴(kuò)展進(jìn)行全方位360度旋轉(zhuǎn)。Rebellion公司利用該設(shè)備實(shí)現(xiàn)了對(duì)烷烴、烯烴的探測(cè)[13]。川東北某氣田利用氣云成像攝像機(jī)對(duì)廠區(qū)的罐區(qū)和管線區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，在氣體泄漏位置識(shí)別、泄漏識(shí)別準(zhǔn)確度、泄漏響應(yīng)方面均取得較好的應(yīng)用效果[14]。但是該設(shè)備通訊負(fù)荷高，成本較高，不適合作為常規(guī)的氣體泄漏監(jiān)測(cè)手段。
3、國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展
和國(guó)外技術(shù)相比，國(guó)內(nèi)紅外成像技術(shù)起步較晚，但近些年來(lái)發(fā)展迅速，不少單位都進(jìn)行了相關(guān)研究。
鄭為建等人[15]2016年設(shè)計(jì)了長(zhǎng)波紅外時(shí)空調(diào)制高光譜成像實(shí)驗(yàn)裝置，研究了二維空間平面化學(xué)氣體VOCs高光譜成像檢測(cè)方法。2019年，采用定制的擴(kuò)展長(zhǎng)波光電導(dǎo)碲鎘汞探測(cè)器組件[16]，擴(kuò)展了紅外探測(cè)器的響應(yīng)帶寬(7～15 mm)，覆蓋整個(gè)長(zhǎng)波紅外大氣窗口，滿足民用和工業(yè)有毒有害氣體特征監(jiān)測(cè)的技術(shù)需求。
金偉其團(tuán)隊(duì)對(duì)氣體泄漏紅外成像技術(shù)進(jìn)行了較為全面的研究，包括紅外圖像增強(qiáng)算法[17]、氣體紅外成像探測(cè)概率[18]、氣體泄漏擴(kuò)散模型[19]等。2014年，牽頭組織煙臺(tái)艾睿公司和北方廣微公司分別研制了氧化釩非制冷寬波段紅外焦平面探測(cè)器組件(3～14 mm)，制成寬波段氣體泄漏紅外熱成像檢測(cè)原理樣機(jī)[20]。2018年，該團(tuán)隊(duì)在艾睿公司生產(chǎn)的探測(cè)器基礎(chǔ)上，研制了甲烷氣體紅外成像檢測(cè)工程樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)了天然氣等烷類氣體泄漏的有效檢測(cè)[21,22]。
熊仕富[23]進(jìn)行了紅外熱成像甲烷氣體探測(cè)與識(shí)別系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究。在非制冷紅外焦平面探測(cè)器成像的基礎(chǔ)上，通過(guò)設(shè)計(jì)光學(xué)成像系統(tǒng)和紅外窄帶濾光片光學(xué)薄膜，探討了提高系統(tǒng)檢測(cè)靈敏度的方法，實(shí)現(xiàn)了甲烷的有效探測(cè)與識(shí)別。
焦洋、徐亮等人[24-26]設(shè)計(jì)了氣體掃描成像傅里葉變換紅外遙測(cè)系統(tǒng)，已實(shí)現(xiàn)對(duì)城市空氣中NH3、C2H4等氣體的檢測(cè)。系統(tǒng)探測(cè)靈敏度高，并以可視化和定量的方式顯示污染的空間分布情況，但空間掃描分辨率較低，如果要提高系統(tǒng)的掃描精度，會(huì)限制探測(cè)速度。
王敏[27]，Ding,K[28]等主要對(duì)易燃易爆氣體紅外成像系統(tǒng)的檢測(cè)算法進(jìn)行了相關(guān)研究 。
氣體泄漏紅外成像檢測(cè)技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)品主要掌握在發(fā)達(dá)國(guó)家手中，且部分技術(shù)對(duì)中國(guó)實(shí)施禁運(yùn)。隨著我國(guó)石油化工領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，氣體泄漏紅外成像檢測(cè)的需求日益增大，國(guó)內(nèi)的許多研究單位也具備了生產(chǎn)、研發(fā)相關(guān)產(chǎn)品的能力。
在紅外探測(cè)器及機(jī)芯模組方面，國(guó)內(nèi)相關(guān)公司已具備自主研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的能力。包括以非晶硅[29]、氧化釩[30]材料為主的非制冷紅外焦平面探測(cè)器，以碲鎘汞、二類超晶格材料為主的制冷型紅外探測(cè)器[31]。紅外機(jī)芯提供數(shù)據(jù)接口，具備完善的SDK開發(fā)庫(kù)，便于二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)持續(xù)迭代優(yōu)化。用戶可根據(jù)實(shí)際需要，配備不同焦距的鏡頭。除此之外，也有不少單位利用國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)研發(fā)便攜式紅外成像設(shè)備[32-34]。主要分為檢測(cè)VOCs氣體的中波型紅外成像設(shè)備和檢測(cè)六氟化硫、氨氣、乙烯等氣體的長(zhǎng)波型紅外成像設(shè)備。
4、結(jié)語(yǔ)
雖然國(guó)內(nèi)氣體泄漏紅外成像技術(shù)起步相對(duì)偏晚，但是目前也已具備多種規(guī)模的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和系統(tǒng)應(yīng)用的能力。氣體泄漏紅外成像檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展主要有以下幾個(gè)趨勢(shì)。
4.1 國(guó)產(chǎn)化、低成本
目前在石化企業(yè)使用的氣體泄漏紅外成像設(shè)備大都是國(guó)外進(jìn)口設(shè)備，成本較高，不適于推廣普及。國(guó)內(nèi)雖已具有自主研發(fā)生產(chǎn)的氣體泄漏紅外成像檢測(cè)儀，但是探測(cè)器大都依賴進(jìn)口，沒有實(shí)現(xiàn)純國(guó)產(chǎn)化。隨著國(guó)內(nèi)相關(guān)單位探測(cè)器自主研發(fā)、生產(chǎn)能力的提升，純國(guó)產(chǎn)化、低成本的設(shè)備應(yīng)用到石化企業(yè)中指日可待。
4.2 探測(cè)器大陣列、小像元、小型化
探測(cè)器的大陣列、小像元有助于使圖像更清晰、探測(cè)距離更遠(yuǎn)、降低生產(chǎn)成本、提高響應(yīng)速度[35]。減小探測(cè)器的體積有助于減小整個(gè)儀器的尺寸。
4.3 波段融合與拓展
氣體泄漏紅外成像檢測(cè)系統(tǒng)使用的探測(cè)器響應(yīng)波段較窄，只能實(shí)現(xiàn)單一氣體的檢測(cè)。若能把中紅外波段和遠(yuǎn)紅外波段結(jié)合起來(lái)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)多種氣體的探測(cè)，將大大拓展儀器的性能，這也對(duì)新材料、新結(jié)構(gòu)的探測(cè)器提出了需求。
4.4 高系統(tǒng)靈敏度
紅外成像對(duì)比度差，系統(tǒng)靈敏度較低。一方面要優(yōu)化探測(cè)器，另一方面要探索有效的圖像處理算法，在圖像處理層面提高系統(tǒng)靈敏度。
4.5 在線檢測(cè)設(shè)備
結(jié)合石化企業(yè)泄漏檢測(cè)的實(shí)際需求，紅外成像檢測(cè)設(shè)備要從離線化走向在線式。檢測(cè)設(shè)備與報(bào)警聯(lián)動(dòng)，一旦發(fā)現(xiàn)氣體泄漏，實(shí)時(shí)直觀地顯示氣體泄漏位置并及時(shí)報(bào)警，推進(jìn)區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控。
4.6 系統(tǒng)綜合性能的提升
氣體泄漏紅外熱成像技術(shù)主要實(shí)現(xiàn)定性檢測(cè)，紅外光譜成像技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)定量檢測(cè)，但是運(yùn)行速度較慢。如何解決探測(cè)氣體種類的數(shù)量、辨別氣體種類的能力與系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間之間的矛盾，提高系統(tǒng)的綜合性能仍是一個(gè)需要解決的問(wèn)題。
本文作者：遲曉銘 肖安山 朱 亮 賈潤(rùn)中等 (中國(guó)石化青島安全工程研究院化學(xué)品安全控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)
