CN112649161A - 气敏色变传感器及基于气敏色变传感的加氢站安全盾系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于气敏色变传感的加氢站安全盾系统，将气敏色变传感器设于氢气管道上，实时检测氢气管道表面的氢气浓度，根据氢气浓度的大小，改变显示的颜色；在有光源的情况下将气敏色变传感器的图像信息经的图像采集器传输给图像处理器进行处理分析，并将处理的数据信息传输给控制器；控制器用于判断获取的图像是否存在氢气泄漏，若存在，则打开加氢站的安防装置，并切断电路防止氢气遇火花引发爆炸。该系统采用气敏变色材料及传感器技术和图像识别技术，能够做到氢气泄漏的24小时实时监测，并可集成到加氢站的控制系统中，投入成本低，安全可靠。
Description
技术领域
本发明属于加氢站氢气泄漏检测的技术领域，尤其涉及一种气敏色变传感器及基于气敏色变传感的加氢站安全盾系统。
背景技术
氢能市场庞大，需求量以每年翻两番的速度发展；氢气检测标准愈发严格，相关法规不断增加，使得氢气泄露检测尤为重要。通常氢气泄露检测设备只对已经发生了大规模的氢气泄漏存在感知，根本无法提前预警氢气的泄露，且由于现有技术和成本因素，对于加氢站而言通常是在主要需布控的加注端等地方安置少量的消防探头以覆盖主要区域，其他地方则需要通过人工手持检测设备定期检漏，时效性差，不能够24小时连续监测，导致加氢站的安全防控费时费力、效率低，且具有一定的安全隐患。
与此同时，传统的加氢站关于探氢部位的检测信息，通常采用人工纸质方式记录，易因人为因素而出错，且管理系统缺乏统一的平台，各个采集人员和不同时间跨度的记录数据达不到有效整合，不易调取和分析。
发明内容
本发明的目的是提供一种气敏色变传感器及基于气敏色变传感的加氢站安全盾系统，能够做到氢气泄漏的24小时实时监测，并可集成到加氢站的控制系统中，投入成本低，安全可靠。
为解决上述问题，本发明的技术方案为：
一种基于气敏色变传感的加氢站安全盾系统，包括气敏色变传感器、光源、图像采集器、图像处理器及控制器；
所述气敏色变传感器设于氢气管道上，实时检测氢气管道表面的氢气浓度，根据氢气浓度的大小，改变显示的颜色；
所述光源用于给所述气敏色变传感器照明；
所述图像采集器用于实时采集所述气敏色变传感器所在区域的图像，并将采集的图像传输给所述图像处理器；
所述图像处理器用于将获取的图像进行降噪及颜色空间转换处理，得到色域宽阔及色彩丰富的图像，并将处理后的图像传输给所述控制器；
所述控制器用于判断获取的图像是否存在氢气泄漏，若存在，则打开加氢站的安防装置，并切断电路防止氢气遇火花引发爆炸。
根据本发明一实施例，所述气敏色变传感器包括检测区及对照区；
所述检测区遇氢气变色，所述对照区遇氢气不变色。
根据本发明一实施例，所述气敏色变传感器包括封装层、变色层、氢敏催化层、基底层及惰性层；
所述基底层设于氢气管道上，且具有透气性；
所述惰性层及所述氢敏催化层位于所述基底层的上方，所述惰性层与所述氢敏催化层之间设有阻隔层；
所述变色层位于所述惰性层与所述氢敏催化层的上方，所述阻隔层贯穿所述变色层；
所述封装层位于所述变色层的上方，且具有透光性；
所述检测区包括封装层、变色层、氢敏催化层及基底层，所述对照区包括封装层、变色层、惰性层及基底层。
根据本发明一实施例，所述基底层由聚四氟乙烯材料制成。
根据本发明一实施例，所述氢敏催化层由铂材料制成，可与穿透所述基底层的氢气进行催化反应。
根据本发明一实施例，所述惰性层由钛材料制成，不与穿透所述基底层的氢气进行催化反应。
根据本发明一实施例，所述阻隔层由玻璃纤维制成，隔绝气体。
根据本发明一实施例，所述变色层由可变色的纳米材料制成，所述变色层与催化后的氢气进行反应，改变自身的颜色。
根据本发明一实施例，所述纳米材料为钇。
根据本发明一实施例，所述图像处理器将获取的图像的RGB颜色空间转换为Lab颜色空间，并将Lab颜色空间的三个分量L、a、b所构成的数列进行归一化处理，简化计算。
一种气敏色变传感器，包括：封装层、变色层、氢敏催化层、基底层及惰性层；
所述基底层具有透气性；
所述惰性层及所述氢敏催化层位于所述基底层的上方，所述惰性层与所述氢敏催化层之间设有阻隔层；
所述变色层位于所述惰性层与所述氢敏催化层的上方，所述阻隔层贯穿所述变色层；
所述封装层位于所述变色层的上方，且具有透光性及隔离性；
其中，所述封装层、变色层、氢敏催化层及基底层，构成气敏色变传感器的检测区，所述封装层、变色层、惰性层及基底层，构成气敏色变传感器的对照区；所述检测区遇氢气变色，所述对照区遇氢气不变色。
本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：
1)本发明一实施例中的基于气敏色变传感的加氢站安全盾系统，针对目前通过人工手持检测设备定期检测氢气泄漏，时效性差，不能够24小时连续监测，导致加氢站的安全防控费时费力、效率低的问题，将气敏色变传感器设于氢气管道上，实时检测氢气管道表面的氢气浓度，根据氢气浓度的大小，改变显示的颜色；在有光源的情况下将气敏色变传感器的图像信息经图像采集器传输给图像处理器进行处理分析，并将处理后的数据信息传输给控制器；控制器用于判断获取的图像是否存在氢气泄漏，若存在，则打开加氢站的安防装置，并切断电路防止氢气遇火花引发爆炸。该系统采用气敏变色材料及传感器技术和图像识别技术，能够做到氢气泄漏的24小时实时监测，并可集成到加氢站的控制系统中，投入成本低，安全可靠。
2)本发明一实施例中的基于气敏色变传感的加氢站安全盾系统，在气敏色变传感器的附近设置光源，可确保图像采集器能够实时清楚地捕捉到气敏色变传感器的颜色变化。
3)本发明一实施例中的基于气敏色变传感的加氢站安全盾系统，该气敏色变传感器中包括检测区及对照区，通过图像采集器采集的图像，若有氢气泄漏的，可清楚直接地从图像上就可分辨，简单明了，简化了判断氢气泄漏的过程。
附图说明
图1为本发明一实施例中的基于气敏色变传感的加氢站安全盾系统的框图；
图2为本发明一实施例中的气敏色变传感器的结构示意图。
附图标记说明：
1：封装层；2：变色层；3：氢敏催化层；4：基底层；5：惰性层；6阻隔层。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种基于气敏色变传感的加氢站安全盾系统作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。
本实施例提供的一种基于气敏色变传感的加氢站安全盾系统，请参看图1，该系统包括气敏色变传感器、光源、图像采集器、图像处理器、存储器及控制器。该气敏色变传感器布置在氢气管道上，尤其是管阀件、高压设备、加注端等氢气易泄漏的区域，在保障安全距离的地方提供光源，以确保图像采集器能够实时捕捉的气敏色变传感器的颜色变化，再经过图像处理器对所采集的图像进行深度处理，并将处理后的数据信息导入存储器；同时，也可传至目标数据库以便于加氢站的管理系统调取和分析。控制器分析出位于气敏色变传感器检测范围内的数据结果，若该数据结果显示存在氢气泄漏的，控制器则快速做出应急处理，将报警器和泄压阀等安防装置打开，并切断所有电路以防止氢气遇电火花引发爆炸。
具体的，气敏色变传感器可设于氢气管道上，实时检测氢气管道表面的氢气浓度，根据氢气浓度的大小，改变显示的颜色。该气敏色变传感器包括检测区及对照区，其中检测区遇氢气变色，对照区遇氢气不变色。通过该检测区及对照区，若有氢气泄漏的，可清楚直接地从图像上就可分辨，简单明了，简化了判断氢气泄漏的过程，缩短了系统检测时间。
气敏色变传感器的具体结构，请参看图2。该气敏色变传感器包括封装层1、变色层2、氢敏催化层3、基底层4及惰性层5。其中，基底层1设于氢气管道上，且具有透气性；惰性层5及氢敏催化层3位于基底层1的上方，并且惰性层5与氢敏催化层3之间设有阻隔层6；变色层2位于惰性层5与氢敏催化层3的上方，并且被阻隔层6贯穿；封装层1位于变色层2的上方，其具有透光性。该气敏色变传感器的检测区包括封装层1、变色层2、氢敏催化层3及基底层4，对照区包括封装层1、变色层2、惰性层5及基底层4；检测区遇氢气变色，对照区遇氢气不变色。
实际应用时，基底层1可以由透气性良好的有机高分子材料制成，能够使气敏色变传感器及时捕捉到泄露的氢气，其优选的基底材料为聚四氟乙烯。
氢敏催化层3可与穿透基底层1进入的氢气进行催化反应，同时确保催化的氢气能与氢敏催化层3上方的变色层2反应。该氢敏催化层可以由铂材料制成，其优选的材料为金属铂。
惰性层5与氢敏催化层3形成对照，不与氢气进行催化反应，其与氢敏催化层3之间采用阻隔层6进行间隔，以防止氢气催化反应影响到惰性层5上方的的变色层2，其优选的惰性材料为金属钛。另外，阻隔层6可采用玻璃纤维制成，隔绝气体。
变色层2能够同氢敏催化层3所催化的氢气进行反应，从而改变自身颜色，进而能及时被图像采集器捕捉处理。其优选的变色材料为金属钇。
封装层1能够隔绝外界空气，防止变色材料被氧化失效；同时，封装层1具备较好的透光性能，能够保证变色材料的颜色被及时捕捉。其优选的封装层材料为玻璃纤维。
为了确保图像采集器能够实时清楚地捕捉到气敏色变传感器的颜色变化，本实施例在气敏色变传感器的附件设置光源，给所述气敏色变传感器照明。该光源可以是白炽灯，也可以是发白光的LED灯。
图像采集器实时采集气敏色变传感器所在区域的图像，并将采集的图像传输给图像处理器。该图像采集器可以是照相机，也可以是摄像头。该图像采集器可与计算机相连，可将采集的图像传输到计算机上。
图像处理器将获取的图像进行降噪及颜色空间转换处理，得到色域宽阔及色彩丰富的图像，并将处理后的图像传输给控制器。其中，颜色空间转换处理具体是指将图像的RGB颜色空间转换为Lab颜色空间，并将Lab颜色空间的三个分量L、a、b所构成的数列进行归一化处理，简化计算。该图像处理器可以是计算机上的图像处理程序或软件。
控制器判断获取的图像是否存在氢气泄漏，若存在，则打开加氢站的安防装置，并切断电路防止氢气遇火花引发爆炸。在判断是否存在氢气泄漏时，可参照表1进行。
表1
上表1为自然光照条件下气敏色变传感器随氢气浓度增加而颜色变化的情况，气敏色变传感器中的变色材料在常温常压下，与铂系金属材料催化的氢气反应，随着氢气浓度的增加，变色材料的颜色逐渐加深。
本实施例提供了氢泄漏检测流程，包括以下步骤：
S1：获取识别区域的图像信息，该识别区域为气敏色变传感器所在区域，该气敏色变传感器包括对照区和检测区；
S2：对步骤S1中的对照区和检测区分别进行降噪等补偿处理；
S3：将步骤S2处理后的图像的RGB颜色空间转换为Lab颜色空间；
S4：将步骤S3转换的Lab颜色空间的三个分量L、a、b所构成的数列进行归一化处理，简化计算，便于系统后期的机器学习，同时，将处理数据进行储存；
S5：将步骤S4处理后的对照区和检测区的数据进行比对；
S6：判断比对结果是否存在氢气泄漏。
本实施例提供的基于气敏色变传感的加氢站安全盾系统，针对目前通过人工手持检测设备定期检测氢气泄漏，时效性差，不能够24小时连续监测，导致加氢站的安全防控费时费力、效率低的问题，将气敏色变传感器设于氢气管道上，实时检测氢气管道表面的氢气浓度，根据氢气浓度的大小，改变显示的颜色；在有光源的情况下将气敏色变传感器的图像信息经图像采集器传输给图像处理器进行处理分析，并将处理后的数据信息传输给控制器；控制器用于判断获取的图像是否存在氢气泄漏，若存在，则打开加氢站的安防装置，并切断电路防止氢气遇火花引发爆炸。该系统采用气敏变色材料及传感器技术和图像识别技术，能够做到氢气泄漏的24小时实时监测，并可集成到加氢站的控制系统中，投入成本低，安全可靠。
考虑到本发明中的气敏色变传感器可单独售卖，本发明对该气敏色变传感器进行了保护。
请参看图2，该气敏色变传感器包括包括封装层1、变色层2、氢敏催化层3、基底层4及惰性层5。其中，基底层1可设于氢气管道上，且具有透气性；惰性层5及氢敏催化层3位于基底层1的上方，并且惰性层5与氢敏催化层3之间设有阻隔层6；变色层2位于惰性层5与氢敏催化层3的上方，并且被阻隔层6贯穿；封装层1位于变色层2的上方，其具有透光性。该气敏色变传感器的检测区包括封装层1、变色层2、氢敏催化层3及基底层4，对照区包括封装层1、变色层2、惰性层5及基底层4；检测区遇氢气变色，对照区遇氢气不变色。
其中，基底层1可以由透气性良好的有机高分子材料制成，能够使气敏色变传感器及时捕捉到泄露的氢气，其优选的基底材料为聚四氟乙烯。
氢敏催化层3可与穿透基底层1进入的氢气进行催化反应，同时确保催化的氢气能与氢敏催化层3上方的变色层2反应。该氢敏催化层可以由铂材料制成，其优选的材料为金属铂。
惰性层5与氢敏催化层3形成对照，不与氢气进行催化反应，其与氢敏催化层3之间采用阻隔层6进行间隔，以防止氢气催化反应影响到惰性层5上方的的变色层2，其优选的惰性材料为金属钛。另外，阻隔层6可采用玻璃纤维制成，隔绝气体。
变色层2能够同氢敏催化层3所催化的氢气进行反应，从而改变自身颜色，进而能及时被图像采集器捕捉处理。其优选的变色材料为金属钇。
封装层1能够隔绝外界空气，防止变色材料被氧化失效；同时，封装层1具备较好的透光性能，能够保证变色材料的颜色被及时捕捉。其优选的封装层材料为玻璃纤维。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种基于气敏色变传感的加氢站安全盾系统，其特征在于，包括气敏色变传感器、光源、图像采集器、图像处理器及控制器；
所述气敏色变传感器设于氢气管道上，实时检测氢气管道表面的氢气浓度，根据氢气浓度的大小，改变显示的颜色；
所述光源用于给所述气敏色变传感器照明；
所述图像采集器用于实时采集所述气敏色变传感器所在区域的图像，并将采集的图像传输给所述图像处理器；
所述图像处理器用于将获取的图像进行降噪及颜色空间转换处理，得到色域宽阔及色彩丰富的图像，并将处理后的图像传输给所述控制器；
所述控制器用于判断获取的图像是否存在氢气泄漏，若存在，则打开加氢站的安防装置，并切断电路防止氢气遇火花引发爆炸。
2.如权利要求1所述的基于气敏色变传感的加氢站安全盾系统，其特征在于，所述气敏色变传感器包括检测区及对照区；
所述检测区遇氢气变色，所述对照区遇氢气不变色。
3.如权利要求1所述的基于气敏色变传感的加氢站安全盾系统，其特征在于，所述气敏色变传感器包括封装层、变色层、氢敏催化层、基底层及惰性层；
所述基底层设于氢气管道上，且具有透气性；
所述惰性层及所述氢敏催化层位于所述基底层的上方，所述惰性层与所述氢敏催化层之间设有阻隔层；
所述变色层位于所述惰性层与所述氢敏催化层的上方，所述阻隔层贯穿所述变色层；
所述封装层位于所述变色层的上方，且具有透光性；
所述检测区包括封装层、变色层、氢敏催化层及基底层，所述对照区包括封装层、变色层、惰性层及基底层。
4.如权利要求1所述的基于气敏色变传感的加氢站安全盾系统，其特征在于，所述基底层由聚四氟乙烯材料制成。
5.如权利要求1所述的基于气敏色变传感的加氢站安全盾系统，其特征在于，所述氢敏催化层由铂材料制成，可与穿透所述基底层的氢气进行催化反应。
6.如权利要求1所述的基于气敏色变传感的加氢站安全盾系统，其特征在于，所述惰性层由钛材料制成，不与穿透所述基底层的氢气进行催化反应。
7.如权利要求1所述的基于气敏色变传感的加氢站安全盾系统，其特征在于，所述阻隔层由玻璃纤维制成，隔绝气体。
8.如权利要求1所述的基于气敏色变传感的加氢站安全盾系统，其特征在于，所述变色层由可变色的纳米材料制成，所述变色层与催化后的氢气进行反应，改变自身的颜色。
9.如权利要求1所述的基于气敏色变传感的加氢站安全盾系统，其特征在于，所述图像处理器将获取的图像的RGB颜色空间转换为Lab颜色空间，并将Lab颜色空间的三个分量L、a、b所构成的数列进行归一化处理，简化计算。
10.一种气敏色变传感器，其特征在于，包括：封装层、变色层、氢敏催化层、基底层及惰性层；
所述基底层具有透气性；
所述惰性层及所述氢敏催化层位于所述基底层的上方，所述惰性层与所述氢敏催化层之间设有阻隔层；
所述变色层位于所述惰性层与所述氢敏催化层的上方，所述阻隔层贯穿所述变色层；
所述封装层位于所述变色层的上方，且具有透光性及隔离性；
其中，所述封装层、变色层、氢敏催化层及基底层，构成气敏色变传感器的检测区，所述封装层、变色层、惰性层及基底层，构成气敏色变传感器的对照区；所述检测区遇氢气变色，所述对照区遇氢气不变色。
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