CN114216613A - 一种基于双目摄像头的气体泄漏量测量方法 - Google Patents

一种基于双目摄像头的气体泄漏量测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于双目摄像头的气体泄漏量测量方法，包括步骤：搭建气体泄漏量测量硬件平台；基于双目摄像头测得测试点和管道待测泄漏点的距离；基于阵列测量的波束形成信号处理技术测得待测泄漏点P的噪声信号强度。本发明的有益效果是：基于双目摄像头测距原理，错位布置双摄像头，计算出待测点距离，在复杂危险的工业环境中实现远距离非接触测量及定位；可实现远距离测量复杂环境中管道气体泄漏，解决工业管道测量环境复杂危险，甚至存在多管道遮挡、重叠等问题；保障测量人员安全。同时管道气体泄漏模型可计算管道气体泄漏速率。

Description

一种基于双目摄像头的气体泄漏量测量方法
技术领域
本发明属于工业气体管网领域，尤其涉及一种基于双目摄像头的气体泄漏量测量方法。
背景技术
目前发电厂、化工厂、天然气管网等领域有大量输送工业气体的管道，部分管道使用年限较长、管道因腐蚀穿孔或连接处焊接质量差，导致泄漏事故时有发生。考虑到工业气体大多属于易燃易爆气体或高温高压气体，一旦发生泄漏，极易引发火灾、爆炸等重大安全事故，甚至造成人员伤亡，对公共安全造成极大威胁。因此对工业管道泄漏定位及泄漏速率测量显得尤为重要。由于工业管道周围环境复杂危险，存在管道处于高位、多条管道并排布置、管道周围高温、管道周围存在有毒有害气体等众多不利于测试人员靠近的情况。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种基于双目摄像头的气体泄漏量测量方法。
这种基于双目摄像头的气体泄漏量测量方法，包括以下步骤：
步骤1、搭建气体泄漏量测量硬件平台，硬件平台包括双目摄像头、气体泄漏探测器和主机；双目摄像头为两台相同的相机l和相机r；
步骤2、基于双目摄像头测得测试点和管道待测泄漏点的距离；设待测泄漏点P在相机l和相机r上的成像点分别为Pl和Pr；相机l和相机r的焦距相同，均为f；相机l和相机r的之间的中心距为B；设测试点和待测泄漏点P的距离为Z；
根据相似三角形原理：
Figure BDA0003409286320000011
推导得：
Figure BDA0003409286320000012
上式中，xl为相机l的x坐标，xr为相机r的x坐标；xl-xr为视差，视差是同一个空间点在相机l和相机r成像中对应的x坐标的差值；当相机l和相机r的相对位置处于水平时，将相机l和相机r得到的RGB图编码成灰度图，来反映测试点和待测泄漏点P的距离Z的远近，离镜头越近的在灰度图中越亮；因此通过双目摄像原理可以测得泄漏点离测量点的实际距离；
步骤3、基于阵列测量的波束形成信号处理技术测得待测泄漏点P的噪声信号强度；
步骤4、根据已知管道内气体成分相关参数和气体泄漏探测器测得管道泄漏点处的气体泄漏量，根据能量守恒方程和动量守恒方程定量描述绝热流动过程，来建立泄漏速率模型，求得气体泄漏量。
作为优选，步骤1中相机l和相机r集成在同一硬件平台上，相机l和相机r之间保持距离B；相机l和相机r用于远距离复杂环境中气体泄漏定位；气体泄漏探测器用于进行气体泄漏量测量；主机用于存储和显示相机l和相机r传输的图像数据。
作为优选，步骤2中焦距f和相机l和相机r的中心距B通过标定得到。
作为优选，步骤3具体包括以下步骤：
步骤3.1、根据各个声音传声器接收声音信号的时间差以及声音传声器的位置来获取高度方向性波束特征，识别声源；
步骤3.2、对声音传声器阵列中各阵元的输出进行延迟，补偿各阵元上的传播延时；然后通过加运算和等运算，在所有声音传声器感受到指定声源的同一个瞬时波前，产生一个空间响应极大值，将各阵元的输出信号聚焦到声源的真实位置；具体公式为：
Figure BDA0003409286320000021
Figure BDA0003409286320000022
上式中，
Figure BDA0003409286320000023
是聚焦位置为
Figure BDA0003409286320000028
信号角频率为ω时声音传声器阵列中阵元的输出；M是声音传声器个数；Pm(ω)是第m号声音传声器接收到的声音信号；
Figure BDA0003409286320000024
为聚焦位置
Figure BDA0003409286320000025
处的假设点声源辐射声波传播至第m号声音传声器时相对参考点的延时量；
Figure BDA0003409286320000026
为第m号声音传声器位置向量；c为声速，j为虚数单位。
作为优选，步骤3.1中声音传声器与相机l、相机r集成在同一硬件平台上。
作为优选，步骤4具体为：
建立泄漏速率模型：
Figure BDA0003409286320000027
上式中，κ为气体热容比；M为气体摩尔质量，单位为g/mol；G为单位体积的气体质量流量，单位为kg/(m2s)；G为管道直径，单位为m；Le为泄漏点距离上游起点的距离，单位为m；f′为摩擦系数；R为气体常数；P1、T1、u1、ρ1分别表示上游起点的压力、温度、流速和气体密度；P2、T2、u2、ρ2分别表示与泄漏点同一直线的管内一点的压力、温度、流速和气体密度；P3、T3、u3、ρ3分别表示泄漏点的压力、温度、流速和气体密度；
气体的状态方程为：
PV＝ZnRT
上式中，P为管道内压力；V为气体体积；R为气体常数；T为气体温度；Z为气体的压缩因子；n为气体分子物质的量；
气体的连续性方程为：
U1A1ρ1＝U2A2ρ2
上式中，u1、A1、ρ1分别表示上游起点气体的流速、管道截面积和气体密度；u2、A2、ρ2分别表示与泄漏点同一直线的管内一点的气体的流速、管道截面积和气体密度；
将气体的状态方程和连续性方程代入泄漏速率模型，求得泄漏孔处的气体泄漏速率Q为：
Figure BDA0003409286320000031
上式中，Q为泄漏速率，单位为kg/s；C为流量系数；A为泄漏孔的面积，单位为m2；Pa为大气压力，单位为帕；流量系数C是一个和雷诺数Re相关的系数，可以查表得到；雷诺数Re是表征流体流动情况的无量纲数，通过流体的流速、密度、黏性系数计算得到，和流体本身性质相关。
本发明的有益效果是：本发明通过一种基于双目摄像头的气体泄漏量测量方法，基于双目摄像头测距原理，错位布置双摄像头，计算出待测点距离，在复杂危险的工业环境中实现远距离非接触测量及定位；可实现远距离测量复杂环境中管道气体泄漏，解决工业管道测量环境复杂危险，甚至存在多管道遮挡、重叠等问题；保障测量人员安全。同时管道气体泄漏模型可计算管道气体泄漏速率。
附图说明
图1为双目摄像头测距原理示意图；
图2为气体管道孔隙泄漏的示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
实施例一
本申请实施例一提供了一种如图1所示用于气体泄漏量测量的硬件平台，包括两台相同的相机l和相机r、气体泄漏探测器和主机；相机l和相机r用于远距离复杂环境中气体泄漏定位；气体泄漏探测器用于进行气体泄漏量测量；主机用于存储和显示相机l和相机r传输的图像数据。
实施例二
在实施例一的基础上，本申请实施例二提供了采用实施例1中硬件平台的基于双目摄像头的气体泄漏量测量方法：
步骤1、搭建气体泄漏量测量硬件平台，硬件平台包括双目摄像头、气体泄漏探测器和主机；双目摄像头为两台相同的相机l和相机r；
步骤2、基于双目摄像头测得测试点和管道待测泄漏点的距离；设待测泄漏点P在相机l和相机r上的成像点分别为Pl和Pr；相机l和相机r的焦距相同，均为f；相机l和相机r的之间的中心距为B；设测试点和待测泄漏点P的距离为Z；
根据相似三角形原理：
Figure BDA0003409286320000041
推导得：
Figure BDA0003409286320000042
上式中，xl为相机l的x坐标，xr为相机r的x坐标；xl-xr为视差，视差是同一个空间点在相机l和相机r成像中对应的x坐标的差值；当相机l和相机r的相对位置处于水平时，将相机l和相机r得到的RGB图编码成灰度图，来反映测试点和待测泄漏点P的距离Z的远近，离镜头越近的在灰度图中越亮；因此通过双目摄像原理可以测得泄漏点离测量点的实际距离；
步骤3、基于阵列测量的波束形成信号处理技术测得待测泄漏点P的噪声信号强度；
步骤3.1、根据各个传声器接收声音信号的时间差以及传声器的位置来获取高度方向性波束特征，识别声源；
步骤3.2、对传声器阵列中各阵元的输出进行延迟，补偿各阵元上的传播延时；然后通过加运算和等运算，在所有传声器感受到指定声源的同一个瞬时波前，产生一个空间响应极大值(主瓣)，将各阵元的输出信号聚焦到声源的真实位置；具体公式为：
Figure BDA0003409286320000051
Figure BDA0003409286320000052
上式中，
Figure BDA0003409286320000053
是聚焦位置为
Figure BDA0003409286320000054
信号角频率为ω时传声器阵列中阵元的输出；M是传声器个数；Pm(ω)是第m号传声器接收到的声音信号；
Figure BDA0003409286320000055
为聚焦位置
Figure BDA0003409286320000056
处的假设点声源辐射声波传播至第m号传声器时相对参考点的延时量；
Figure BDA0003409286320000057
为第m号传声器位置向量；c为声速，j为虚数单位；
步骤4、根据已知管道内气体成分相关参数和气体泄漏探测器测得管道泄漏点处的气体泄漏量，根据能量守恒方程和动量守恒方程定量描述绝热流动过程，来建立泄漏速率模型，求得气体泄漏量；
如图2所示，建立泄漏速率模型：
Figure BDA0003409286320000058
上式中，κ为气体热容比；M为气体摩尔质量，单位为g/mol；G为单位体积的气体质量流量，单位为kg/(m2s)；G为管道直径，单位为m；Le为泄漏点距离上游起点的距离，单位为m；f′为摩擦系数；R为气体常数；P1、T1、u1、ρ1分别表示上游起点的压力、温度、流速和密度；P2、T2、u2、ρ2分别表示与泄漏点同一直线的管内一点的压力、温度、流速和密度；P3、T3、u3、ρ3分别表示泄漏点的压力、温度、流速和密度；
气体的状态方程为：
PV＝ZnRT
上式中，P为管道内压力；V为气体体积；R为气体常数；T为气体温度；Z为气体的压缩因子；n为气体分子物质的量；
气体的连续性方程为：
U1A1ρ1＝U2A2ρ2
上式中，u1、A1、ρ1分别表示上游起点气体的流速、管道截面积和气体密度；u2、A2、ρ2分别表示与泄漏点同一直线的管内一点的气体的流速、管道截面积和气体密度；
将气体的状态方程和连续性方程代入泄漏速率模型，求得泄漏孔处的气体泄漏速率Q为：
Figure BDA0003409286320000061
上式中，Q为泄漏速率，单位为kg/s；C为流量系数；A为泄漏孔的面积，单位为m2；Pa为大气压力，单位为帕。

Claims (6)

1.一种基于双目摄像头的气体泄漏量测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、搭建气体泄漏量测量硬件平台，硬件平台包括双目摄像头、气体泄漏探测器和主机；双目摄像头为相机l和相机r；
步骤2、基于双目摄像头测得测试点和管道待测泄漏点的距离；设待测泄漏点P在相机l和相机r上的成像点分别为Pl和Pr；相机l和相机r的焦距相同，均为f；相机l和相机r的之间的中心距为B；设测试点和待测泄漏点P的距离为Z；
根据相似三角形原理：
Figure FDA0003409286310000011
推导得：
Figure FDA0003409286310000012
上式中，xl为相机l的x坐标，xr为相机r的x坐标；xl-xr为视差，视差是同一个空间点在相机l和相机r成像中对应的x坐标的差值；当相机l和相机r的相对位置处于水平时，将相机l和相机r得到的RGB图编码成灰度图，来反映测试点和待测泄漏点P的距离Z的远近；
步骤3、基于阵列测量的波束形成信号处理技术测得待测泄漏点P的噪声信号强度；
步骤4、根据已知管道内气体成分相关参数和气体泄漏探测器测得管道泄漏点处的气体泄漏量，根据能量守恒方程和动量守恒方程定量描述绝热流动过程，来建立泄漏速率模型，求得气体泄漏量。
2.根据权利要求1所述基于双目摄像头的气体泄漏量测量方法，其特征在于：步骤1中相机l和相机r集成在同一硬件平台上，相机l和相机r之间保持距离B；相机l和相机r用于远距离复杂环境中气体泄漏定位；气体泄漏探测器用于进行气体泄漏量测量；主机用于存储和显示相机l和相机r传输的图像数据。
3.根据权利要求1所述基于双目摄像头的气体泄漏量测量方法，其特征在于：步骤2中焦距f和相机l和相机r的中心距B通过标定得到。
4.根据权利要求1所述基于双目摄像头的气体泄漏量测量方法，其特征在于，步骤3具体包括以下步骤：
步骤3.1、根据各个声音传声器接收声音信号的时间差以及声音传声器的位置来获取高度方向性波束特征，识别声源；
步骤3.2、对声音传声器阵列中各阵元的输出进行延迟，补偿各阵元上的传播延时；然后通过加运算和等运算，在所有声音传声器感受到指定声源的同一个瞬时波前，产生一个空间响应极大值，将各阵元的输出信号聚焦到声源的真实位置；具体公式为：
Figure FDA0003409286310000021
Figure FDA0003409286310000022
上式中，
Figure FDA0003409286310000023
是聚焦位置为
Figure FDA0003409286310000024
信号角频率为ω时声音传声器阵列中阵元的输出；M是声音传声器个数；Pm(ω)是第m号声音传声器接收到的声音信号；
Figure FDA0003409286310000025
为聚焦位置
Figure FDA0003409286310000026
处的假设点声源辐射声波传播至第m号声音传声器时相对参考点的延时量；
Figure FDA0003409286310000027
为第m号声音传声器位置向量；c为声速，j为虚数单位。
5.根据权利要求4所述基于双目摄像头的气体泄漏量测量方法，其特征在于：步骤3.1中声音传声器与相机l、相机r集成在同一硬件平台上。
6.根据权利要求1所述基于双目摄像头的气体泄漏量测量方法，其特征在于，步骤4具体为：
建立泄漏速率模型：
Figure FDA0003409286310000028
上式中，κ为气体热容比；M为气体摩尔质量，单位为g/mol；G为单位体积的气体质量流量，单位为kg/(m2s)；G为管道直径，单位为m；Le为泄漏点距离上游起点的距离，单位为m；f′为摩擦系数；R为气体常数；P1、T1、u1、ρ1分别表示上游起点的压力、温度、流速和气体密度；P2、T2、u2、ρ2分别表示与泄漏点同一直线的管内一点的压力、温度、流速和气体密度；P3、T3、u3、ρ3分别表示泄漏点的压力、温度、流速和气体密度；
气体的状态方程为：
PV＝ZnRT
上式中，P为管道内压力；V为气体体积；R为气体常数；T为气体温度；Z为气体的压缩因子；n为气体分子物质的量；
气体的连续性方程为：
U1A1ρ1＝U2A2ρ2
上式中，u1、A1、ρ1分别表示上游起点气体的流速、管道截面积和气体密度；u2、A2、ρ2分别表示与泄漏点同一直线的管内一点的气体的流速、管道截面积和气体密度；
将气体的状态方程和连续性方程代入泄漏速率模型，求得泄漏孔处的气体泄漏速率Q为：
Figure FDA0003409286310000031
上式中，Q为泄漏速率，单位为kg/s；C为流量系数；A为泄漏孔的面积，单位为m2；Pa为大气压力，单位为帕。
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